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1.1. Obtenção de matéria pelos seres heterotróficos
Uniceluridade vs. pluricelularidade
Os seres heterotróficos consomem matéria orgânica produzida por outros seres para obterem as substâncias que vão integrar nas suas células, pois não são capazes de fabricar compostos orgânicos a partir de compostos inorgânicos.
Há seres heterotróficos constituídos por uma única célula - seres unicelulares -, como as bactérias e os protozoários, e outros constituídos por muitas células - seres pluricelulares -, como os fungos e os animais. Independentemente de serem unicelulares ou pluricelulares, nos seres heterotróficos a utilização das substâncias orgânicas obtidas através dos alimentos ocorre no interior da célula. Para tal, estas têm de passar a barreira física constituída pela membrana plasmática.
Membrana plasmática
O modelo de ultraestrutura da membrana plasmática aceite atualmente é o modelo do mosaico fluído ( de Singer e Nicholson). De acordo com este modelo a membrana apresenta uma composição lipoproteica.
Os lípidos são principalmente fosfolípidos e também colesterol nas células animais. Os fosfolípidos possuem uma extremidade polar, hidrofílica - a "cabeça" com o fosfato -, e uma extremidade apolar, hidrofóbica, correspondente às "caudas" dos ácidos gordos. São por este facto moléculas anfipáticas. As cabeças polares dos fosfolípidos estão viradas para os meios extracelular e intracelular devido à sua atração para as zonas polares menos eletronegativas das moléculas de água, correspondentes ao hidrogénio, designadas muitas vezes por polaridades "positivas". As cadeias hidrofóbicas dos fosfolípidos estão viradas umas para as outras, "escondidas" no interior das bicamadas assim formadas, já que não possuem afinidade eletrostática para a água, por serem apolares. Existem também glicolípidos (glícidos associados a lípidos da membrana).
Quanto às proteínas, existem dois tipos essenciais, as intrínsecas ou integradas, que estão inseridas na dupla camada de fosfolípidos, ou seja, atravessam totalmente a bicamada fosfolipídica, e as extrínsecas ou periféricas, que se situam à superfície da camada fosfolípidica da membrana. Existem glicoproteínas (glícidos associados a proteínas da membrana)
LISOSSOMAS
Lisossomas são vesículas delimitadas por uma membrana e que contém enzimas. Forma-se na fase de
maturação do complexo de Golgi. Podem unir-se a outras vesículas endocíticas (no citoplasma), e originam um
VACÚOLO DIGESTIVO.
Os lisossomas intervém nas digestões das substâncias que foram endocitadas (fagocitose e pinocitose) -
HETEROFAGIA e também participam na digestão de organelos que necessitam de ser renovados, formando um
vacúolo autofágico
xsaAs membranas não são estáticas, pois as suas moléculas não estão rigidamente ligasdas. As moléculas lipídicas têm mobilidade lateral, chamada difusão lateral, dotando a bicamada de grande fluidez e flexibilidade. Por vezes, os fosfolípidos saltam de uma camada para a outra - flip-flops. As proteínas inseridas na bicamada lipídica também efetuam movimentos, daí o nome "mosaico fluido" para este modelo da membrana.
A membrana plasmática funciona como uma barreira de separação entre dois meios extra e intracelulares, sendo uma superfície de troca de substâncias, de energia e de informação entre esses meios.
Os principais movimentos de substâncias através da membrana citoplasmática encontram-se no quadro seguinte:
O movimento da água através da membrana citoplasmática provoca variações de volume das células, quando estas são colocadas num meio com diferente concentração de soluto. Assim:
meio hipotónico --> movimento da água para fora da célula --> turgência
meio hipertónico --> movimento da água para fora da célula --> plasmólise
As células animais sofrem variações de volume. Em meio fortemente hipotónico pode ocorrer lise celular. As células vegetais sofrem alterações no tamanho dos vacúolos. A presença de parede celular impede a lise em meio hipotónico. Quando a concentração de soluto dos dois lados da membrana se iguala, os meios tornam-se isotónicos.
Moléculas de grandes dimensões ou partículas atravessam a membrana pelos processos de endocitose e exocitose. Observe o quadro seguinte:
1.1.2. Ingestão, digestão e absorção
A ingestão é o processo que leva à introdução dos alimentos no ser vivo, a digestão é como já referimos e como já estudaste o conjunto de processos que leva à simplificação de macromoléculas em micromoléculas por reações de hidrólise catalisadas pelas enzimas e a absorção é a passagem destes nutrientes simples através das membranas celulares, de forma a poderem ser utilizadas no metabolismo celular. A digestão pode ocorrer no interior da célula (digestão intracelular) e no exterior da célula (digestão extracelular).
DIGESTÃO INTRACELULAR
Se observarmos uma célula podemos verificar que a maior parte o voluma da célula é ocupado pelo sistema
membranar. Este sistema é constituído por organitos que tem comunicação entre si, a membrana nuclear,
retículo endoplasmático e o complexo de Golgi.
RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO
Localiza-se entre a membrana nuclear e a membrana celular, é constituído por muitas membranas que
delimitam vesículas ou cisternas e túbulos. O interior do R.E. designa-se por Lúmen. Se estes túbulos e cisternas forem revestidos externamente por ribossomas, chama-se retículo endoplasmático rugoso, se não tiver os ribossomas é retículo endoplasmático liso.
O R.E. Rugoso é onde ocorre a maioria da síntese de proteínas, algumas são enzimas.
O R.E. Liso é onde ocorre a síntese de fosfolípidos, modificação de moléculas que entram na célula, como drogas e pesticidas e formação de novas membranas
Complexo de Golgi
É o nome que se dá ao conjunto de todos os dictiossomas (corpos do complexo) de uma célula. Os dictiossomas são as cisternas achatadas em forma de disco (normalmente em número de 4 a 7 discos) e rodeadas por vesículas.
Possuem uma face convexa virada para o RE e uma parte concava. A convexa é a fase de formação, onde os dictiossomas recebem as proteínas vindas do RE e a parte convexa é a fase de maturação, onde as vesículas vão sendo substituídas por novas vesículas vindas da parte convexa e esta dará origem a vesículas de secreção. As proteínas que vão passando do RE para o C.G. vão sofrendo transformações, como por exemplo: enzimas
ficam ativas.
LISOSSOMAS
Lisossomas são vesículas delimitadas por uma membrana e que contém enzimas. Forma-se na fase de maturação do complexo de Golgi. Podem unir-se a outras vesículas endocíticas (no citoplasma), e originam um vacúolo digestivo.
Os lisossomas intervém nas digestões das substâncias que foram endocitadas (fagocitose e pinocitose) -heterofagia e também participam na digestão de organelos que necessitam de ser renovados, formando um vacúolo autofágico
DIGESTÃO EXTRACELULAR
Na maioria dos heterotróficos mais complexos a digestão é feita fora das células, extracelular, sendo que há seres em que a digestão é fora do corpo (extracorporal), como por exemplo acontece com alguns fungos. Conforme a complexidade do ser vai aumentando, também os sistemas digestivos vão evoluindo de forma a um maior aproveitamento dos alimentos. Os sistemas digestivos podem ser incompletos (hidra e planária), ou seja têm apenas uma abertura por onde entram os alimentos é o mesmo local por onde sai o que não foi digerido) e podem ser completos, têm duas aberturas (uma é a boca e outra é o ânus).
Sistema digestivo incompleto - Hidra e Planária
A Hidra tem boca circundada por tentáculos e está ligada a uma cavidade em forma de saco (cavidade gastrovascular - funções digestivas e absorção dos nutrientes para as células) onde ocorre a digestão extracelular. Os produtos gerados na digestão extracelular são absorvidos por todas as células onde ocorre a digestão intracelular. Os produtos excretados pelas células passam para a cavidade através da exocitose e são libertado do corpo através da contração do corpo.
O sistema digestivo da Planária é semelhante ao da Hidra, no entanto, já apresenta alguma diferenciação. A seguir à boca tem uma faringe musculosa que se pode projetar para o exterior e captar o alimento. A cavidade gastrovascular é ramificada, aumentando assim, a área de digestão e absorção. A digestão, tal como na Hidra, começa na cavidade e depois completa-se nas células.
Sistemas digestivos completos (digestão exclusivamente extracelular)
Os seres que possuem sistemas digestivos completos têm vantagem dado que o percurso dos alimentos ocorre
num só sentido aumentando a eficiência da digestão e absorção; A digestão pode ocorrer em vários órgãos
especializados para a digestão específica de determinados nutrientes; A absorção ao dar-se num tubo é mais
eficiente e os produtos de excreção são expulsos por um outro orifício (o ânus).
A captura dos alimentos processa-se através de um mecanismo de sucção devido à contração dos músculos da faringe. Depois os alimentos passam para o esófago e são armazenados no papo. De seguida deslocam-se para a moela onde são triturados devido à contração das paredes. No intestino a ação enzimática faz com que haja a
simplificação em moléculas mais simples e ao longo do intestino, a minhoca tem uma prega dorsal que permite aumentar a superfície de absorção. Os produtos a excretar saem, depois, pelo ânus.
Vertebrados
Os vertebrados são os seres mais complexos e o seu sistema digestivo acompanha esta complexidade. Todos apresentam dois órgãos anexos (fígado e Pâncreas), produtores de substâncias que são lançadas no intestino (bílis do fígado e enzimas do Pâncreas) e misturadas com os produtos alimentares. Alguns têm glândulas salivares.
FISIOLOGIA DO SISTEMA DIGESTIVO (DIGESTÃO E ABSORÇÃO)
Como já dissemos a digestão é o conjunto de processos químicos e de processos físicos que visam a simplificação de macro moléculas em micromoléculas. Para cada órgão, diremos a digestão química e física de cada.
Boca
Digestão física- Mastigação - Os alimentos são rasgados, triturados através dos dentes, língua e músculos da face.
Digestão química- ensalivação, consiste na mistura dos alimentos com a saliva, os órgãos que intervêm são a língua e as glândulas salivares.
A amílase contida na saliva desdobra o amido (polissacarídeo) em maltose (dissacarídeo) água e Amílase salivar (actua em meio neutro)
Do resultado da mastigação+ensalivação os alimentos passam a bolo alimentar.
Deglutição: o bolo alimentar passa para a faringe através deste fenómeno, a língua levanta e empurra para trás os alimentos, o véu do paladar levanta e tapa a comunicação com as fossas nasais, o bolo alimentar desce e passa pela epiglote que tapa a comunicação com o aparelho respiratório.
Esófago : No esófago o bolo alimentar é empurrado para o estômago através dos movimentos peristálticos, através das contracções dos músculos do esófago (processo físico).
Estômago
O bolo alimentar passa para o estômago através da abertura do esfíncter cárdico.
No estômago:
-
Digestão física- os músculos das paredes do estômago contraem fazendo um onda peristáltica (20s), estes movimentos facilitam o contacto do bolo alimentar com o suco gástrico.
-
Digestão química- O suco gástrico é constituído por enzimas e ácido clorídrico, este é fundamental porque mata algumas bactérias nocivas ao organismo e constituiu o pH ideal para actuação das enzimas do estômago. As enzimas são as proteáses e lipáses gástricas (esta não é muito eficiente).
A pepsina, a proteáse gástrica, desdobra as proteínas em polipetídeos. A lipáse gástrica separa os ácidos gordos do glicerol.
O resultado dos dois tipos de digestão transformam o bolo alimentar em quimopasta homogénea que passa em jatos intermitentes através do piloro para o duodeno.
Intestino delgado
Digestão física- movimentos peristálticos.
Digestão química- actuação das enzimas do suco intestinal do suco pancreático e da bílis no quimo.
Enzimas do pâncreas- Amílase pancreática desdobra o amido em maltose lipáse pancreática desdobra os lípidos em ácidos gordos + álcool. tripsina desdobra os polipéptideos em dipeptídeos.
Bílis- actua em conjunto com a lípase pancreática nos lípidos, a bílis dissolve as gorduras para facilitar a reacção das enzimas.
Enzimas intestinais- atacam principalmente os glúcidos:
Lactase atua na lactose e desdobra-se em glicose+ galactose
sacarase atua na sacarose e desdobra-se em glicose + levulose
Maltase atua na maltose e desdobra-se em duas moléculas de glicose.
Enzima intestinal que desdobra os prótidos: Erepsina actua nos dipeptídeos e desdobra-os em aminoácidos. Do resultado destas acções o quimo passa a quilo.
Quadro síntese das enzimas que actuam no processo químico da digestão
Intestino Grosso
Absorção de água e de NaCl (sal) são os fenómenos de relevância fisiológica que ocorrem no intestino grosso.
Existe também produção de vitamina K e B12 por acção bacteriana. A subtração de água dos restos não
digeridos da dieta produz uma massa pastosa a excretar: as fezes.
Absorção
A absorção ocorre, essencialmente, ao nível do intestino delgado. São nas vilosidades intestinais que os
nutrientes simplificados vão passar para o sangue e linfa, para serem conduzidos às células.
Os lípidos e as vitaminas lipossolúveis são absorvidos através do canal quilífero (amarelo na figura) existente nas
vilosidades, enquanto os restantes nutrientes (água, sais minerais, vitaminas hidrossolúveis, aminoácidos) serão
conduzidos pelos vasos sanguíneos (azul e vermelho na figura).
As substâncias não absorvidas no intestino delgado passam para
o intestino grosso, local onde a maior parte da água e sais
minerais passam para o meio interno. Existem bactérias no
intestino grosso que fabricam vitaminas (K e B12), a partir do
resto das substâncias alimentares que o nosso organismo não
utilizou. As restantes substâncias do quilo que não foram
aproveitadas pelo nosso organismo irão constituir as fezes
que sairão para o exterior através da defecação.
1.2. Obtenção de matéria pelos seres autotróficos
ATP
A energia luminosa e a química não são utilizadas diretamente pelas células, parte dessa energia é transferida
para um composto - o ATP - ADENOSINA TRIFOSFATO que é fonte de energia que é utilizável pela célula.
As células não têm armazenadas grandes quantidades de ATP e a transferência de energia depende do ciclo ATP
- ADP.
Na fotossíntese e na quimiossíntese a produção de ATP é fundamental para a formação dos compostos
orgânicos.
Ciclo ATP - ADP - Dá-se a reação de hidrólise (ATP + água), sai um ião fosfato liberta-se energia (reação exoenergética) e o Trifosfato passa a Difosfato.
Para o Difosfato passar a Trifosfato têm-se de juntar o ião fosfato e liberta-se água, é o processo inverso, chama-se Fosforilação do ADP e a reação é endoenergética (necessita de energia).
CLOROPLASTO
Os cloroplastos é um organito existente nas plantas e algumas bactérias (cianobactéria). É no cloroplasto que se
encontram os pigmentos que são fundamentais na fotossíntese (clorofia a e b). Os cloroplastos para além da clorofila têm outros pigmentos, por exemplo os carotenos (laranja), mas em menor quantidade.
São revestidos por duas membranas lipoproteicas, e têm no seu interior um complexo membranoso formado por invaginações das membranas e formando pequenas bolsas discoides achatadas e empilhadas, os tilacoides.
Cada pilha de tilacoide chama-se de granum, o plural é grana. O Interior do cloroplasto é constituído por um fluido, o estroma.
As moléculas de clorofila estão dispostas nas membranas dos tilacoides. A clorofila é capaz de absorver energia luminosa e transformá-la em energia química. Cada célula têm em média cera de 40 cloroplastos.
Captação da energia luminosa
As reações termonucleares do Sol emitem grandes quantidades de energia radiante que constitui o espetro eletromagnético. Estas radiações propagam-se em ondas e a sua energia é avaliada pelo comprimento de onda. De toda a energia que atinge a Terra, através dos fotões, apenas 42% atravessa a atmosfera. Parte é filtrada na camada de ozono (comprimentos de onda curtos), outra parte é filtrada pela água e dióxido de carbono, existentes na atmosfera (comprimentos de onda longos), antes de chegarem à superfície terrestre.
Cada radiação é caraterizada pelo comprimento de onda e quanto maior for este comprimento de onda menor é a energia. Por esta razão, se observares a figura, vês que os raios UV e os raios X, são muito energéticos e, embora não visíveis, causam lesões nas células (queimaduras solares, melanomas...).
Os olhos humanos têm capacidade para detetar luz com comprimentos de onda entre os 380nm e os 750nm e esta faixa é conhecida como LUZ VISÍVEL ou BRANCA. Se esta luz passar por um prisma têm-se a decomposição do espetro da luz luz branca em radiações que vai do violeta ao vermelho.
Os pigmentos fotossintéticos são substâncias que captam a luz solar e iniciam todo o processo da fotossíntese. A Clorofila absorve radiações de diferentes comportamentos de onda, mas não absorve os que correspondem à cor verde e como os reflete, apresentam essa cor.
A experiência de Engelmann
Theodore Engelmann foi um botânico e microbiólogo alemão do século XIX que em 1882
elaborou uma experiência com uma alga filamentosa, a Spirogyra e com bactérias aeróbias
(utilizam o oxigénio na respiração). O objetivo era relacionar os comprimentos de onda da
luz com a eficácia da fotossíntese. Colocou numa lâmina a Spirogyra e água com bactérias
. Cobriu a preparação com uma lamela e verificou que as bactérias se encontravam
uniformemente espalhadas em toda a preparação. Num microscópio tinha adaptado
um prisma ótico que permitia a decomposição da luz branca . No final da experiência
Engelmann verificou que as bactérias se deslocaram para zonas onde incidiam as radiações
vermelhoalaranjada e azul-violeta. (As bactérias deslocaram-se à procura de oxigénio
fornecido pela Spirogya através da fotossíntese). Pode concluir que estas radiações eram as
mais absorvidas pelas plantas de cor verde, uma vez que a maiores taxas fotossintéticas
correspondem as maiores taxas de absorção de radiação.
As radiações com comprimentos de onda correspondentes à cor verde não são absorvidas,
são refletidas daí
vermos a cor verde nas plantas.
1.2.1.Fotossíntese
Os seres autotróficos, são produtores, pois produzem a matéria orgânica essencial aos seres heterotróficos que
dependem diretamente (herbívoros) ou indiretamente (carnívoros e omnívoros). São fundamentais para o
equilíbrio da biosfera, mas também necessitam da geosfera e da hidrosfera para sobreviverem (água e sais
minerais).
FOTOSSISTEMAS
É nas membranas dos tilacóides que existem os pigmentos fotossintéticos agrupadas em FOTOSSISTEMAS. A energia é transferida de molécula para molécula até chegar à clorofila a. A clorofila fica excitada e perde um eletrão que é transferido para uma molécula aceitadora de eletrões (proteína), esta energia será depois utilizada em reações químicas (energia luminosa transformada em energia química).
Existem, conhecidos, dois tipos de fotossistemas I e o II que atuam em conjunto. A molécula da clorofila do fotossistema II é especializada em absorver energia luminosa com um comprimento de onda de 680 nm e a do fotossistema I em energia com comprimento de onda de 700nm. A designação I e II tem apenas a ver com altura em que foram descobertas.
Genericamente a fotossíntese pode-se traduzir por esta equação:
6 CO2 + 6 H2O --------> C6H12O6 + 6 O2
Há produção de oxigénio proveniente da água e de glicose do dióxido de carbono.
A fotossíntese compreende dois processos complementares:
-a fase fotoquímica (reações que dependem da luz),
-a fase química (não depende diretamente da luz).
FASE FOTOQUÍMICA
1-A luz solar incide nas folhas e é absorvida pela clorofila, presente no cloroplasto na membrana interna, no tilacoide, constituindo a fonte energética inicial. A clorofila do fotossistema II fica excitada e perde eletrões que vão reagir com a molécula de água, oxidando-a e originando a libertação do oxigénio, protões e eletrões. Os eletrões vão fluir para uma cadeia de acetores que existem na membrana do tilacoide e que serão transportados até ao fotossistema I. Os protões de hidrogénio deslocam-se para o interior do tilacóide.
Os eletrões que a clorofila perdeu acabam por ser repostos pela fotólise da água.
2- O fluxo de eletrões liberta energia para transformar várias moléculas ADP em ATP. Os protões que foram encaminhados para o interior do tilacoide vão ser utilizados para a fosforilação do ADP que irá ocorrer no estroma (exterior do tilacoide).
Redução da molécula aceitadora de Hidrogénio NADP (ocorre no estroma) :
ADP + P + energia ---------> ATP
3- O Fotossistema I após captar a energia luminosa, reencaminha os eletrões para o estroma e em conjunto com os protões, vão ser cedidos a uma molécula chamada de NADP(+) (Nicotinamina adenina dinocleótido fosfato), reduzindo-a e transformando-a em NADPH (molécula transportadora de eletrões e hidrogénios), molécula importante, tal como o ATP para a formação de compostos orgânicos.
ESQUEMA--------------------------------------------------------------->>
FASE QUÍMICA
Esta fase ocorre no estroma dos cloroplastos e é nela que se forma a glicose, pela reação inicial entre o dióxido de carbono atmosférico e a ribulose difosfato (RDP), um composto com cinco carbonos, que funciona para a incorporação do CO2.
Nesta fase ocorre uma série de reações químicas que necessitam de ATP e NADPH formados na fase anterior.
Estas reações ocorrem por ação de enzimas que dependem da presença de luz e da temperatura. O dióxido de carbono desde que entra na planta sofre uma sequência de reações até à formação de matéria orgânica.
Em 1950 um grupo de cientistas da Universidade da Califórnia, liderado por Melvin Clavin, utilizando uma série de compostos marcados radioactivamente conseguiam estudar a sequência de reações, permitindo conhecer as moléculas intervenientes na formação de glicose, e o papel do ATP e NADPH na síntese de matéria orgânica. Esta sequência está expressa no Ciclo de Calvin, homenagem ao cientista.
Ciclo de Calvin é constituído por 3 fases:
1ª Fixação do Carbono
2ª Produção de compostos orgânicos
3ª Regeneração do aceitador
O CO2 combina-se com a ribulose difosfato (RuBP) que origina um composto com 6 carbonos instáveis.
Este composto instável dá origem imediatamente a 2 moléculas de com 3 carbonos cada uma, o ácido fosfoglicérico (PGA).
O ATP atua nestas 2 moléculas e estas são reduzidas pelo NDPH, formando o aldeído fosfoglicérico (PGAL).
Por cada 12 PGAL, 10 são utilizadas para regenerar o RuBP e 2 são para sintetizar compostos orgânicos.
Para se formar uma molécula de glicose é necessário que o ciclo ocorra 6 vezes gastando-se:
- 6 moléculas de CO2;
-18 moléculas de ATP;
-12 de NADPH.
O aldeído fosfoglicérido é utilizado não só para a formação da glicose mas também de outros compostos orgânicos : aminoácidos, glicerol e ácidos gordos.
1.2.2. Quimiossíntese
Os seres quimioautotróficos (grupo de bactérias sulfurosas, nitrificantes e ferrosas), são os protagonistas deste processo. Sintetizam matéria orgânica a partir da oxidação de compostos inorgânicos.
Utilizam a energia proveniente da oxidação na formação de ATP, protões H+ e eletrões, para fixar o dióxido de carbono e sintetizar a matéria orgânica. Os compostos são:
amoníaco (NH3), dióxido de carbono (CO2) ou Sulfureto de Hidrogénio (H2S).
Nas fumarolas negras, fontes hidrotermais que se localizam a grandes profundidades no fundo oceânico, onde a luz solar não penetra, a existência destas bactérias sulfurosas produtoras de matéria orgânica, são a base a cadeia alimentar do local.
Distinguem-se 2 fases:
1- Dá-se oxidação dos compostos, formam-se eletrões e protões que são transportado numa cadeia para produzir ATP e NADPH, através da redução do NADP(+).
2- Produção de compostos orgânicos a partir do dióxido de carbono, do ATP e do poder redutor de NADPH.
