Trocas Gasosas em Seres Multicelulares

 Trocas Gasosas :

       Plantas

Nas   plantas,   as   trocas   gasosas   estão   basicamente   associadas   a   três   processos

fundamentais: transpiração , fotossíntese  e respiração aeróbia.

É através dos estomas, localizados principalmente nas folhas, que ocorrem as trocas gasosas com o meio externo. Estes são constituídos, basicamente, por duas células-guarda que delimitam uma abertura, o ostíolo, através do qual se efetuam as trocas gasosas. Nestas células, as paredes celulares que limitam a abertura são mais espessas que as paredes opostas. Este facto permite-lhes variar a abertura do ostíolo em função do seu grau de turgescência. Quando estas células perdem água, ficam plasmolisadas, a pressão de turgescência diminui e o estoma fecha. Quando as células-guarda estão túrgidas, os ostíolos abrem.

   As variações de turgescência das células-guarda dependem do movimento, por transporte

ativo, de iões para o seu interior. O aumento da concentração desses iões no interior da  célula  provoca  a  entrada  de  água  por  osmose  com  consequente  aumento  de turgescência e abertura do estoma. A saída dos iões      por difusão simples provoca a saída de água para as células vizinhas, diminuindo o volume celular (célula plasmolisada), o que provoca o fecho dos estomas.

    Os movimentos estomáticos estão, também, dependentes da luz. Quando a planta está à luz e ocorrem as reações fotoquímicas da fotossíntese, o estoma abre. Na obscuridade, como as reações fotoquímicas da fotossíntese não se realizam, o estoma fecha.
     Fatores como a temperatura, o vento, a humidade e o conteúdo de água no solo também influenciam a abertura e o fecho dos estomas.

     Animais

Nos animais, as trocas de gases respiratórios com o meio exterior realizam-se por difusão direta ou indireta, ao nível de superfícies respiratórias. Na difusão direta, os gases respiratórios passam diretamente da superfície respiratória para as células. Na difusão indireta os gases respiratórios passam da superfície respiratória para um fluido circulante e deste para as células.

Tipos de superfícies respiratórias

§ Tegumento – A superfície do corpo é ricamente vascularizada, permitindo uma difusão indirecta dos gases respiratórios.

§ Sistema traqueal – Constituído por uma rede de traqueias (espiráculo à traqueia à traquíola) que se ramificam em tubos cada vez mais finos ao longo do corpo. O ar circula no sistema traqueal, ocorrendo uma difusão direta para as células.

§ Brânquias – São superfícies respiratórias de grande área e ricamente vascularizadas onde ocorre uma difusão indireta dos gases respiratórios. Em muitos peixes as brânquias estão alojadas em câmaras branquiais de um e do outro lado da cabeça.

§ Sistema pulmonar – Nos pulmões existem numerosos alvéolos pulmonares, de parede muito fina e ricamente vascularizada, que constituem eficazes superfícies de trocas de gases respiratórios por difusão indireta.

 

Reflexão pessoal:  Nas plantas as trocas gasosas com o exterior ocorrem especialmente ao nível dos estomas, em contra partido, nos animais as trocas ocorrem em varias superfícies corporais tal como verificamos anteriormente .

Transformação e Utilização de Energia pelos Seres Vivos

     O conjunto de reações que ocorrem no interior das células de qualquer ser vivo constitui o metabolismo celular. O metabolismo compreende dois tipos de reações:

· Anabolismo – conjunto de reações químicas onde há síntese de moléculas complexas a partir de moléculas mais simples, com consumo de energia. Exemplo deste processo é a síntese de proteínas a partir de aminoácidos com consumo de moléculas de ATP.

·         Catabolismo

– conjunto de reações químicas onde há a degradação de moléculas em moléculas sucessivamente mais simples. Como exemplos de catabolismo refiram-se os processos de obtenção de energia (ATP) pelas células. Através destes processos, a energia acumulada em moléculas orgânicas, como, por exemplo, a

glicose, é utilizada na síntese de moléculas de ATP. Estes compostos orgânicos são lentamente degradados ao longo de uma série de reacções em cadeia, ocorrendo por etapas e libertação da energia neles acumulada.

Basicamente, podem considerar-se dois tipos de vias de síntese de ATP:

 

·    Vias  anaeróbias  (sem  intervenção  de  oxigénio):  fermentação  e  respiração

 

anaeróbia;

 

·         Vias aeróbias (com intervenção de oxigénio): respiração aeróbia.

           Fermentação

 

A fermentação é um processo simples e primitivo em termos de obtenção de energia; ocorre no

hialoplasma das células, compreendendo duas etapas:

· Glicólise – conjunto de reações que degradam a glicose até ácido pirúvico ou piruvato.

No final da glicólise resultam:

o   Duas moléculas de NADH;

o   Duas moléculas de ácido pirúvico;

o Duas moléculas de ATP (formam-se quatro, mas duas são gastas na ativação da glicólise).

·         Redução do Piruvato – conjunto de reações que conduzem à formação dos produtos da fermentação.

      Fermentação Alcoólica

· O ácido pirúvico é descarboxilado, formando-se aldeído acético, que é posteriormente reduzido (pelo NADH), originando etanol, rico em energia potencial.

·

Formam-se dois compostos finais – duas moléculas de dióxido de carbono, resultantes da descarboxilação do ácido pirúvico e duas moléculas de etanol, que possuem, cada uma, dois átomos de carbono.

Fermentação Láctica

·         O ácido pirúvico é reduzido (pelo NADH), formando ácido láctico, rico em energia potencial.

·        

O único composto final é o ácido láctico, que possui três átomos de carbono.

       Respiração Aeróbia

A respiração aeróbia é uma via metabólica realizada com consumo de oxigénio que permite a degradação total da molécula de glicose com um rendimento energético muito superior ao da fermentação.

A respiração aeróbia compreende quatro etapas:

·         Glicólise – etapa comum à fermentação que ocorre no citoplasma com formação de duas moléculas de ácido pirúvico, duas moléculas de ATP e duas moléculas de NADH.

 

·         Formação de acetil-coenzima A – na presença de oxigénio, o ácido pirúvico entra 

na mitocôndria, onde é descarboxilado (perde uma molécula de C		) e oxidado
(perde um hidrogénio, que é usado para o reduzir o NA	, formando NADH).

· Ciclo de Krebs – conjunto de reações metabólicas que conduz à oxidação completa da glicose. Este conjunto de reações ocorre na matriz da mitocôndria e é catalisado por um conjunto de enzimas.

Cada molécula de glicose conduz à formação de duas moléculas de ácido pirúvico, as quais originam duas moléculas de acetil-CoA, que iniciam dois ciclos de Krebs. Devido à combinação do grupo acetil (2C) da CoA com o ácido oxaloacético (4C), forma-se ácido cítrico. Assim, por cada molécula de glicose degradada, formam-se no ciclo de Krebs:

o   Seis moléculas de NADH;

o   Duas moléculas de FAD    (que tem um papel semelhante ao NADH);

o   Duas moléculas de ATP;

o   Quatro moléculas de C   

 

 

·         Cadeia Transportadora de Eletrões – esta etapa ocorre na membrana interna da mitocôndria, onde se encontram transportadores proteicos com diferentes graus de afinidade para os eletrões provenientes das etapas anteriores. Ao longo da cadeia ocorre libertação gradual de energia, à medida que os eletrões passam de um transportador para outro. Esta energia libertada vai ser utilizada na síntese de moléculas de ATP, dissipando-se alguma sob a forma de calor. No final da cadeia  transportadora, os eletrões são transferidos para um acetor final – o oxigénio,

formando-se uma molécula de água por cada dois protões captados.

         

 

           Do ponto de vista energético, a respiração aeróbia é um processo de degradação da glicose mais rentável que a fermentação. A respiração aeróbia permite a obtenção de 36 ou 38 moléculas de ATP, enquanto que a fermentação apenas permite um saldo de 2 moléculas de ATP.

 

Reflexão pessoal: Todos os seres vivos necessitam de energia para a realização das atividades necessárias à sua sobrevivência daí o recurso a compostos orgânicos (nomeadamente energéticos).Também fiz referência à Fermentação e à Respiração Aeróbia, sendo que a Respiração Aeróbia é mais eficaz na obtenção de ATP obtendo um balanço energético de 36 ATP (40% da energia da molécula de glicose) do que a Fermentação com um balanço energético de 2 ATP( 2% da energia da molécula de glicose).

Distribuição de Matéria

O transporte nas Plantas

   As plantas, enquanto seres pluricelulares complexos, necessitam de transportar substâncias minerais até as folhas, para garantir a síntese de compostos orgânicos que aí ocorre. Posteriormente, esses compostos terão de ser distribuídos a todas a células, de forma a poderem ser utilizados.

    O sistema de vasos que se estende desde a raiz, passa pelos caules e chega até às folhas denomina-se xilema e nele movimenta-se a seiva bruta ou xilémica. Existe também outro sistema de vasos chamado floema, que se estende desde as folhas até aos restantes órgãos da planta, transportando a seiva elaborada ou floémica.
 

Xilema

O xilema está especializado no transporte de água e de sais minerais. Na maioria das plantas, este tecido é constituído por quatro tipos de células:

·    Os elementos condutores, que podem ser tracóides e elementos de vasos:

o   Os tracóides são células que formam tubos e que permitem a passagem de água e de sais minerais;

 

o   Os elementos de vasos resultam de células mortas e que conferem rigidez ao xilema;

·         As fibras lenhosas, que são constituídas por células mortas e que desempenham funções de suporte;

 

·         O parênquima lenhoso é um tecido formado por células vivas que desempenha importantes actividades metabólicas (fotossíntese, etc.). Estas células são as únicas células vivas do xilema e desempenham funções, essencialmente, de reserva.

Floema

 

O floema está especializado no transporte de água e substâncias orgânicas, sendo formado,

 

tal como o xilema, por quatro tipos de células:

 

·         As células dos tubos crivosos, que são células muito especializadas. Estas células possuem uma placa crivosa com uma série de orifícios.

 

·         As células de companhia que se situam junto das células de tubo crivoso e são células vivas.

 

·         As fibras, que desempenham funções de suporte.

 

·        

O parênquima, que é formado por células vivas, pouco diferenciadas e que tem funções de reserva.

Absorção Radicular

      A maior parte da água e dos iões necessários para as várias actividades da planta é absorvida pelo sistema radicular.

      Normalmente, o meio intracelular das células da raiz é hipertónico relativamente ao exterior, pelo que a água tende a entrar na planta por osmose. A manutenção deste gradiente osmótico, desde as células mais periféricas da raiz até ao xilema, provoca a passagem da água por osmose para os seus vasos. Os iões minerais, quando presentes no solo em concentrações elevadas, entram nas células da raiz por difusão simples; no entanto, como já foi referido, é usual verificar-se uma elevada concentração destes iões no meio intracelular. Neste caso, os iões entram por transporte activo, com consequente gasto de energia. O transporte activo de iões através das células da periferia da raiz até ao xilema cria um gradiente osmótico, que faz com que a água tenda a passar por osmose até ao xilema.

 

 

Hipótese da Pressão Radicular (Xilema)

A ascensão de água no xilema pode ser explicada pela existência de uma pressão exercida no xilema ao nível da raiz – pressão radicular. A entrada de sais nas células da raiz, por transporte activo, conduz a um aumento da sua concentração no meio intracelular. Este aumento provoca o movimento de água para o interior das células, gerando-se uma pressão que força a água a subir nos vasos xilémicos.

Os fenómenos de gutação e exsudação caulinar constituem evidências deste processo.

                Teoria da Tensão-Coesão-Adesão (Xilema)

 

 

A quantidade de vapor de água que sai das folhas por transpiração causa uma tensão na parte superior da planta que provoca a ascensão da água. Esta tensão ocorre devido às propriedades da água circulante na planta.

Devido à polaridade que apresentam, as moléculas de água tendem a ligar-se umas às outras por pontes de hidrogénio, que se estabelecem entre os átomos de hidrogénio de uma molécula e os átomos de oxigénio de moléculas próximas. Graças a estas forças de coesão, as moléculas de água mantêm-se unidas entre si. As moléculas de água têm ainda a capacidade de aderir a outras substâncias, nomeadamente aos constituintes das paredes do xilema.

Estas forças de tensão-coesão-adesão fazem com que se estabeleça uma coluna de água no xilema, desde as raízes até as folhas. O movimento das moléculas de água, que se perdem por transpiração ao nível das folhas, faz mover toda esta coluna no sentido ascendente.

Consequentemente, quanto mais rápida for a transpiração foliar, mais rápida se torna a absorção radicular.

Este sistema só funciona corretamente quando existe uma continuidade na coluna de água. Quando isto não acontece, por interposição de bolhas de ar, ou quando ocorre um arrefecimento intenso da água, a ascensão deixa de se verificar, só podendo ser reposta devido à pressão radicular. Em alguns casos, a pressão radicular não é suficiente para repor a continuidade da coluna de água e o vaso xilémico em questão deixa mesmo de funcionar.

 

Hipótese do Fluxo de Massa (Floema)

 

O movimento da seiva elaborada no interior dos tubos crivosos é explicado pela hipótese do fluxo de massa de Münch, que pode ser descrita da seguinte forma:

 

·         Os glícidos produzidos nas folhas durante a fotossíntese são convertidos em sacarose antes de entrarem para o floema, para serem transportados aos locais onde são armazenados ou gastos, tais como as flores, os frutos, as sementes, os caules ou as raízes.

·         A passagem da sacarose das células das folhas para as células de companhia do floema ocorre por transporte activo. Seguidamente, a sacarose passa destas células para as células de tubos crivosos através das ligações citoplasmáticas estabelecidas entre elas.

 

·         O aumento da concentração de sacarose nas células de tubos crivosos provoca um aumento da pressão osmótica, o que leva à entrada de água, vinda do xilema, nestas células, que ficam túrgidas. A pressão de turgescência obriga a solução de sacarose a deslocar-se através da placa crivosa para a célula do tubo seguinte e assim sucessivamente.

·         Nas regiões de consumo/armazenamento, a sacarose é retirada do interior do floema por transporte ativo, provocando a saída de água para as células vizinhas.

O transporte nos Animais

 Todos os seres vivos necessitam de realizar trocas de substâncias com o meio envolvente, condição fundamental para a manutenção da vida. Os animais, em particular, necessitam de receber nutrientes e oxigénio para as suas células e têm de eliminar dióxido de carbono e outros produtos resultantes do metabolismo.

Um sistema circulatório compreende sempre:

·         Um fluido circulante que garante o transporte dos nutrientes, a circulação de substâncias reguladoras, as trocas gasosas e o transporte dos resíduos a serem excretados;

·         Um órgão propulsor destinado a impulsionar o fluido circulante – o coração.

·         Uma rede mais ou menos complexa de canais de comunicação, entre os diferentes órgãos e tecidos do organismo, que permite o contacto do líquido circulante com o líquido intersticial de todas as células.

 

Nos animais mais simples, como a hidra, não existe um sistema de transporte especializado. O facto de serem formadas apenas por duas camadas de células e de estarem em contacto directo com o meio permite que o oxigénio se difunda, de forma directa, da água para as células. Os nutrientes difundem-se do interior da cavidade gastrovascular para as células e os produtos de excreção, resultantes do metabolismo celular, são lançados directamente no meio.

 

Sistemas Circulatórios abertos e fechados

 

Nos insectos, o aparelho circulatório é constituído por um vaso dorsal com pequenas dilatações (corações) que impulsionam o fluido circulante para a região anterior do corpo. Nessa região, o fluido sai para cavidades (lacunas) que constituem o hemocélio, contactando directamente com as células do corpo do animal. Após banhar as células, o fluido regressa ao sistema circulatório através de orifícios existentes nos corações (ostíolos). Neste tipo de aparelho circulatório, o fluido sai do interior de vasos e mistura-se com o líquido intersticial que circunda as células, designando-se, por este facto, por sistema circulatório aberto e o líquido circulante por hemolinfa.

 

Na minhoca, o sangue só circula no interior de vasos sanguíneos, não se misturando com o líquido intersticial – sistema circulatório fechado. Neste animal existem dois vasos, um dorsal e outro ventral relativamente ao tubo digestivo. O vaso dorsal funciona como um coração, provocando o movimento do sangue da parte de trás para a frente do corpo. Na parte anterior do corpo existem cinco vasos laterais (arcos aórticos) que, ao contraírem, impulsionam o sangue para o vaso ventral. Nos sistemas circulatórios fechados, o sangue flui mais rapidamente, aumentando a eficácia do transporte de materiais às células e assegurando níveis mais elevados de taxas metabólicas.

 Os insectos, embora possuam um sistema circulatório aberto, têm uma elevada taxa metabólica, o que, aparentemente, é contraditório. Contudo, neste grupo de animais, os gases respiratórios (oxigénio e dióxido de carbono) não são transportados pelos líquidos circulantes, existindo um sistema respiratório que conduz os gases directamente aos tecidos, assegurando, assim, que se realize uma eficiente troca gasosa, responsável pelas altas taxas metabólicas.

 

Sistemas de Transporte fechados – aspectos comparativos

 

Tipos de Circulação

 

·         Simples: O sangue efectua um único trajecto, passando uma vez pelo coração sob a forma de sangue venoso.

 

o   Aspectos estruturais e funcionais:

 

§  Coração com duas cavidades: uma aurícula e um ventrículo.

§  A aurícula recebe o sangue venoso proveniente de todo o organismo e envia-o para o ventrículo.

§  O ventrículo impulsiona o sangue para as brânquias, onde ocorrem as trocas gasosas.

 

§  Dos capilares branquiais, o sangue segue para os tecidos e órgãos, com baixa velocidade e pressão.

               o   Influência no Metabolismo:

§  A chegada de nutrientes e oxigénio às células e a remoção de resíduos é pouco eficiente, uma vez que o sangue flui com baixa velocidade e pressão para as células dos tecidos e órgãos.

·    Dupla: O sangue percorre dois trajectos distintos:

Circulação Pulmonar – o sangue sai do ventrículo direito para a artéria pulmonar, que se ramifica para os órgãos onde é oxigenado, regressando à aurícula esquerda do coração pelas veias pulmonares;

Circulação Sistémica – o sangue sai do ventrículo esquerdo para a artéria aorta em direcção aos tecidos. Regressa, posteriormente, à aurícula direita pelas veias cavas.

Pode ser:

·    Incompleta: Há mistura de sangue venoso com sangue arterial.

 

o   Aspectos estruturais e funcionais:

§  Coração com três cavidades: duas aurículas e um ventrículo.

            §  A aurícula direita recebe o sangue venoso e a esquerda o sangue arterial.

§  O ventrículo recebe sangue venoso e sangue arterial.

§  A circulação pulmonar e a circulação sistémica não são independentes, ocorrendo mistura parcial de sangue venoso e arterial no ventrículo.

              o   Influência no Metabolismo:

§  O sangue, bombeado directamente do coração para os capilares dos diferentes órgãos, chega com maior velocidade e pressão aos tecidos, o que aumenta a eficácia das trocas de materiais com o fluido intersticial.

    § Possui a desvantagem de ocorrer uma mistura parcial dos dois tipos de sangue no ventrículo, o que afecta a concentração de oxigénio do sangue arterial.

·    Completa: Os dois tipos de sangue nunca se misturam em todo o percurso.

o   Aspectos estruturais e funcionais:

§  Coração com quatro cavidades: duas aurículas e dois ventrículos.

§  No lado direito do coração circula apenas sangue venoso e no lado esquerdo apenas sangue arterial.

     §  A circulação pulmonar e a circulação sistémica são independentes, não ocorrendo misturas de sangue no coração.

 

o   Influência no Metabolismo:

§  Esta circulação garante um maior aporte de oxigénio às células do organismo, o que permite uma maior produção de energia. Este aumento reflecte-se numa maior capacidade de produção de calor corporal, que é distribuído de modo uniforme por todo o organismo, mantendo constante a sua temperatura – animais homeotérmicos. Esta aquisição contribui para uma melhor adaptação destes animais a uma grande variedade de ambientes.

Fluidos Circulantes

Nos vertebrados, para além do aparelho circulatório sanguíneo, existe um sistema linfático formado pelos vasos linfáticos ramificados em capilares linfáticos e pelos órgãos linfóides. Este sistema desempenha funções muito importantes, destacando-se:

·         Comunicação entre o sangue, que transporta substâncias e as células;

·         A recolha da linfa intersticial, que banha as células, fazendo-a regressar ao sangue.

·         A absorção das gorduras do intestino, através de pequenos canais existentes nas vilosidades intestinais, para o interior dos quais são absorvidos os produtos resultantes da digestão das gorduras.

No seu conjunto, os fluidos circulantes são responsáveis pelo(a):

     ·         Transporte de nutrientes (pelo plasma), necessários para a nutrição das células;

·         Transporte de oxigénio (pelas hemácias), necessário para a respiração celular;

 

·         Remoção do dióxido de carbono (pelo plasma e uma pequena quantidade pelas hemácias), resultante da respiração celular;

·         Transporte de hormonas (pelo plasma), responsáveis pelo controlo de algumas atividades celulares;

·         Transporte de células e anticorpos do sistema imunitário, responsáveis pela defesa do organismo contra ataques de agentes patogénicos;

·         Transporte de substâncias e materiais capazes de formar coágulos e assim, parar hemorragias;

·         Distribuição de calor para diferentes zonas do corpo, como forma de regular a temperatura corporal.

 

Reflexão pessoal: Nesta publicação tentei ao máximo expor os vários tipos da distribuição da matéria tanto ao nível das plantas e as suas hipóteses e ao nível dos animais assim como os fluidos circulantes nos mesmos.