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Tema 3 biologia pdf
- 1. Tema 3: Transformação e utilização de Energia pelos Seres Vivos 1. Obtenção de Energia A fotossíntese assegura o fluxo energético que se inicia no sol e continua através dos seres vivos. Os compostos orgânicos sintetizados durante a fotossíntese são altamente energéticos, no entanto não podem ser utilizados diretamente nos processos bioquímicos que ocorrem no interior das células, pelo que têm forma de a libertar formando ATP, qual já pode ser utilizada. Nas células ocorrem muitas reações químicas essenciais à vida. Ao conjunto de todas essas reações dá-se o nome de Metabolismo Celular, podendo, no entanto, distinguir-se em dois tipos: A libertação de energia dos compostos orgânicos faz-se por etapas, porque caso contrário a libertação de calor seria tal que se tornaria incompatível com a vida. Assim, a obtenção de energia dá-se através de uma sequência de reações em cadeia nas quais a energia vai sendo libertada e acumulada em compostos energéticos intermédios como o ATP. ATP (adenina trifosfato) é considerado o transportador universal de energia, a nível celular. Reações Catabólicas Existem diversas vias catabólicas capazes de transferir a energia contida nos compostos orgânicos para moléculas de ATP. Nestas intervêm compostos como o NAD que transporta eletrões e protões do hidrogénio desde o substrato (composto orgânico inicial) até a um acetor final.
- 2. Se o acetor final for uma molécula inorgânica, o conjunto destas reações denomina- se de respiração: • Se o acetor (aceitador) for o oxigénio dá-se o nome de respiração aeróbia; • Se o acetor final for outro composto inorgânico como por exemplo o nitrato, sulfato ou dióxido de carbono estamos perante a respiração anaeróbia. Por outro lado, se não existir um acetor final externo, mas sim um derivado de um substrato inicial, como por exemplo o piruvato, então estamos perante o caso da fermentação. 1.1. Fermentação No início do século XIX, Louis Pasteur realizou uma série de experiências com leveduras, com vista a conhecer melhor o processo de fermentação. As leveduras são fungos (eucariontes) unicelulares com grande capacidade de multiplicação perante as condições necessárias (meios ricos em açúcares e temperaturas amenas). A velocidade de reprodução das leveduras varia, por exemplo, com a quantidade de substrato. Pasteur realizou uma experiência simples em que apenas variou a presença ou não de oxigénio. A quantidade de glicose, leveduras e temperatura ambiental era igual. Conclusões a retirar da experiência: • O aumento do número de leveduras provém do facto de se terem reproduzido. A reprodução só é possível devido à existência de energia proveniente da degradação de glicólise. • Alguma da energia produzida dissipa-se, sob a forma de calor, conduzindo a uma elevação da temperatura.
- 3. • A degradação da glicose conduz à formação de produtos finais menos ricos em energia, como o CO2, que turva a água de cal. • No processo anaeróbio, da degradação da glicose resulta a formação de álcool (etanol) daí chamar-se fermentação alcoólica. • A multiplicação mais intensa das leveduras, em condições aeróbias, evidencia uma maior capacidade de mobilização de energia. Verificou-se que o processo aeróbio deverá ser mais rentável pois a quantidade de leveduras final é muito maior do que no caso anaeróbio. A fermentação levada a cabo pelas leveduras é responsável pela produção/transformação de muitos dos produtos alimentares humanos. Ocorre no hialoplasma das células e divide-se em duas fases: • Glicólise: conjunto de reações que degradam a glicose até ácido pirúvico ou piruvato; • Redução do piruvato: conjunto de reações que conduzem à formação dos produtos de fermentação. Glicólise A glicose é uma molécula quimicamente inerte, assim para que a sua degradação se inicie é necessário ativá-la através de energia fornecida pelo ATP (fase de ativação). De seguida, ocorre uma sequência de reações até à formação do ácido pirúvico com formação de ATP e NADH (fase de Rendimento). No final da glicólise, resultam: • Duas moléculas de NADH; • Duas moléculas de ácido pirúvico; • Duas moléculas de ATP (formam-se quatro mas duas são consumidas na ativação da glicólise-fosfato). O NADH formado na glicólise vai ter agora um papel importante na redução do piruvato.
- 4. Redução do Piruvato Quando a glicólise se une aos dois piruvatos formados na fase anterior, formam diferentes tipos de fermentação: As mais importantes e que ocorrem com mais frequência são a fermentação alcoólica e láctica. 1.2. Respiração Aeróbia Nas células eucarióticas formara-se organelos especializados na respiração celular – as mitocôndrias – capazes de realizar a oxidação completa e originando CO2 e H20. Este processo só ocorre com presença de oxigénio – Respiração aeróbia e divide-se em quatro fases: glicólise, formação de acetil-coenzima A, Ciclo de Krebs, Cadeia transportadora de eletrões e fosforilação oxidativa.
- 5. Fase 1: Glicólise Esta fase é igual é fase da fermentação. Assim, formam-se na mesma: • 2 moléculas de ácido pirúvico; • 2 moléculas de ATP; • 2 moléculas de NADH. Fase 2: Formação de Acetil-Coenzima A Cada uma das duas moléculas de ácido pirúvico, na presença de oxigénio, entra na mitocôndria, onde é descarboxilada e oxidada, reduzindo o NAD+ e formando o Acetil- CoA. • Formam-se: 2 NADH e 2 acetil-CoA • Libertam-se: 2 CO2 Fase 3: Ciclo de Krebs • O ciclo inicia-se com a junção de uma molécula de Acetil-CoA (2C) com uma molécula de ácido oxaloacético (4C), formando-se Ácido Cítrico (6C). • De seguida, ocorrem duas descarboxilações e duas oxidações, com a formação de 2 CO2 e 2 NADH. • Ocorre agora uma fosforilação de ADP em ATP. • Para terminar ocorrem duas oxidações com a formação de um NADH e um FADH2. • Depois deste processo torna-se a formar um composto de quatro carbonos, o ácido oxaloacético.
- 6. Formam-se: • 6 moléculas de NADH • 2 moléculas de FADH2 • 2 moléculas de ATP • 4 moléculas de CO2. Fase 4: Cadeia Transportadora de Eletrões e Fosforilação Oxidativa Ocorre nas cristas mitocondriais. Os transportadores de hidrogénio anteriormente reduzidos (NADH e FADH2) vão agora ser oxidados. Os eletrões resultantes vão ser transferidos para cadeias transportadoras de eletrões, cadeia respiratória (formada por proteínas da membrana interna da mitocôndria). A transferência de eletrões ao longo desta cadeia conduz à libertação de energia que permite a síntese de ATP – fosforilação oxidativa (fosforilação do ADP em ATP devido à oxidação dos transportadores). O oxigénio, acetor final de eletrões, fica carregado negativamente e combina com os protões (H+), originando água. Balanço Energético da Fermentação e da Respiração Glicólise: • Oxidação dos compostos orgânicos • Redução de transportadores (2) • Síntese de ATP (2) Formação de Acetil-CoA: • Oxidação do ácido pirúvico • Redução de transportadores (2)
- 7. • Descarboxilação (2 CO2) Ciclo de Krebs: • Oxidação dos compostos do ciclo • Redução de transportadores (8) • Síntese de ATP (2) • Descarboxilação (4CO2) Fosforilação oxidativa: • Oxidação dos transportadores reduzidos anteriormente; • Transferência dos eletrões para a cadeia respiratória; • Síntese de ATP (34); • Redução do oxigénio e formação de água. Respiração Vs Fermentação 2. Trocas gasosas em seres multicelulares 2.1. Trocas gasosas nas plantas Existem três tipos de trocas gasosas que ocorrem nas plantas. São eles: a respiração celular, a fotossíntese e a transpiração.
- 8. Todas estas trocas gasosas ocorrem nas plantas ao nível dos estomas. Os estomas têm uma estrutura característica e distinta das restantes células epidérmicas, apresentam duas células-guarda (possuem cloroplastos) em forma de rim cuja parede interna, que rodeia uma abertura (chamada ostíolo), é mais espessa. Os estomas controlam as trocas gasosas entre a plante e o meio externo, graças à capacidade que têm em abrir e fechar. A mudança das células estomáticas está relacionada com o seu conteúdo em água. O que condiciona a abertura e o fecho dos estomas? Tudo depende da forma das células-guarda, se estão mais ou menos encurvadas. As paredes celulares das células-guarda ou estomáticas apresentam espessuras diferentes, a parede que rodeia o ostíolo é mais espessa (tem reforço de celulose) que a parede que contacta com outras células. Estas vão apresentar maior “elasticidade” e vão reagir de forma diferente, encurvando-se mais e isso ocorre quando a pressão osmótica é alta, entra água para as células, aumentando assim a pressão de turgência.
- 9. O que faz variar a pressão de turgescência nas células estomáticas? • Concentração de solutos: quanto maior concentração de solutos na planta, maior quantidade de água (osmose) -> Maior pressão de turgescência -> Estomas Abertos Concentração de iões K+: julga-se ainda que o principal mecanismo que explica a variação da pressão de turgescência nas células guarda está relacionado com o transporte ativo de iões K+ para o seu interior (processo relacionado com a luz). Comprimentos de onda na zona do azul estimulam a produção daqueles iões pelas folhas. Estes entram por transporte ativo para as células- guarda. Tornam-nas hipertónicas e a água entra logo os estomas abrem e as células ficam túrgidas. • Luz: Maior luminosidade, maior taxa fotossintética. Aumento da concentração de sacarose, que torna o meio hipertónico, facilita a entrada de água e assim a célula fica túrgida -> Estomas abertos • Humidade: do solo: maior quantidade de água no solo, maior absorção -> Estomas abertos; atmosférica: maior humidade no ar -> Estomas fechados; • Temperatura: Por norma, maior temperatura -> maior transpiração -> Estomas fechados
- 10. • Vento: O próprio vento faz deslocar a humidade existente perto da folha e a transpiração tende a aumentar, podendo ocorrer o fecho dos estomas. 2.2. Trocas gasosas nos animais Nos organismos multicelulares, com respiração aeróbia, ocorre um fluxo constante de oxigénio para as células e uma remoção de CO2 para o meio exterior. Nas plantas as trocas gasosas com o exterior ocorrem especialmente ao nível dos estomas. Nos animais as trocas gasosas entre os organismos e o meio podem efetuar-se por difusão direta ou por difusão indireta. O intercâmbio de gases no caso de difusão indireta designa-se por hematose, veri- ficando-se que o sangue perde CO2 e recebe O2 transformando-se o sangue venoso em sangue arterial. • Difusão Direta - as trocas gasosas podem estabelecer-se diretamente entre a superfície respiratória e as células, sem intervenção de um fluido de transporte, ocorrendo difusão direta. Exemplos – hidra, planária e insetos • Difusão Indireta - as trocas gasosas podem estabelecer-se indiretamente entre a superfície respiratória e as células, com intervenção de um fluido circulante, normalmente sangue ocorrendo difusão indireta. Exemplos – minhoca e mamíferos
- 11. Características comuns das superfícies respiratórias • Possuem paredes de espessura muito fina; • Apresentam-se sempre húmidas (o movimento dos gases respiratórios ocorre sempre por difusão simples em meio aquoso); • São fortemente irrigadas por capilares sanguíneos (no caso da difusão indireta); • A sua morfologia permite uma grande superfície de contacto entre o meio interno e o meio externo. Tipos de superfícies respiratórias Traqueias O gafanhoto e outros insetos possuem um sistema respiratório com difusão di- reta constituído por um conjunto de traqueias ramificadas em traquíolas que se dis- põem por todo o corpo do animal contactando diretamente com as células e efetuando as trocas gasosas. Nos insetos voadores existem, junto aos músculos, sacos de ar que funcionam como reservas de ar e facilitam a ventilação, pois a taxa metabólica durante o voo aumenta consideravelmente. Tegumento Em animais como a minhoca e os anfíbios (constituindo um complemento à he- matose pulmonar), a superfície do corpo atua como superfície respiratória e os gases difundem-se entre a superfície do corpo do animal e o sangue. Verifica-se uma difu- são indireta, designada neste caso por hematose cutânea.
- 12. A ocorrência de hematose cutânea é possível graças à extensa vascularização existente por debaixo da superfície da pele e à manutenção da humidade no tegu- mento por parte das numerosas glândulas produtoras de muco e do habitat húmido destes animais. Brânquias As brânquias são os órgãos respiratórios da maior parte dos animais aquáticos, podendo considerar- se a existência de dois padrões básicos: as brânquias externas, expansões vascularizadas do epitélio projetadas para o exterior (evaginações), e as brânquias internas, constituídas por uma enorme quantidade de lamelas ricamente vascularizadas, representando uma significativa área de contacto com a água. Nos peixes, as brânquias são internas, localizando-se, nos peixes ósseos, em duas câmaras branquiais, uma de cada lado da cabeça, cobertas por uma proteção, o opérculo. Cada brânquia é constituída por filamentos branquiais duplos presos a um arco branquial possuindo várias lamelas fortemente rodeadas por capilares sanguíneos. A água entra pela boca, passa pela faringe, da faringe passa para as câmaras branquiais e depois sai pelas fendas operculares, garantindo a ventilação das estru- turas. Nas lamelas, a água cruza-se em sentido contrário com o sangue que circula nos capilares sanguíneos garantindo o contacto do sangue, progressivamente mais rico em oxigénio, com a água, cuja pressão parcial de oxigénio é sempre superior àquela que existe no sangue o que permite um coeficiente de difusão de oxigénio e dióxido de carbono elevado. Este mecanismo, mecanismo de contracorrente, con- tribui para a eficiência da hematose branquial. Pulmões Os anfíbios, os répteis, as aves e os mamíferos apresentam pulmões embora o seu tamanho e a sua complexidade estejam relacionados com a taxa metabólica de
- 13. cada animal e consequentemente com a quantidade de oxigénio necessária nas cé- lulas. O ar entra pela cavidade nasal, passando pela faringe, pela laringe, pela traqueia pelos brônquios que se ramificam em bronquíolos cujas extremidades possuem sacos alveolares constituídos por inúmeros alvéolos pulmonares. No processo de ventilação pulmonar (entrada e saída de ar) intervêm o dia- fragma e os músculos intercostais cuja contração e relaxamento desencadeiam a ins- piração e a expiração. Na difusão dos gases respiratórios, quer ao nível dos alvéolos pulmonares, quer ao nível das células, o fator que condiciona o sentido dessa difusão depende das diferenças de pressão de parcial de cada um dos gases respiratórios ao nível dessas superfícies. Ao nível das células, a pressão parcial de O2 é menor do que no sangue que circula nos capilares e o O2 difunde-se do sangue para o fluido intersticial e deste para as células. O CO2 faz o percurso inverso, difunde-se das cé- lulas para o fluido intersticial e deste para o sangue uma vez que a pressão parcial de CO2 nas células é menor do que no sangue. Nos alvéolos pulmonares, a pressão parcial de O2 é maior do que no san- gue que circula nos capilares e, por isso, o O2 difunde-se dos alvéolos para o sangue. Por outro lado, a pressão parcial de CO2 é menos nos alvéolos pulmonares do que no sangue e o CO2 difunde-se do sangue para os alvéolos.
- 14. TEMA 3: APONTAMENTOS DE BIOLOGIA 10º ANO | Sílvia Couto Ribeira 2019 Biologia 10ºAno 14 Hematose pulmonar nas aves As aves apresentam um sistema respiratório muito eficiente, adaptado às necessidades metabólicas das mesmas. • As trocas gasosas ocorrem só a nível dos pulmões. • Os pulmões possuem parabrônquios, abertos nas duas extremi- dades. • Possuem sacos aéreos anteriores e posteriores. • O ar flui nos parabrônquios num único sentido. O ar percorre o sistema respiratório da ave em dois ciclos respirató- rios (duas inspirações e duas expirações) Vantagens dos sacos aéreos: diminuem a densidade da ave e ajudam a dissipar o calor.