Biologia e Geologia 10º ano | Obtenção de matéria

BIOLOGIA E GEOLOGIA A | 10º ANO

OBTENÇÃO DE MATÉRIA

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BIOLOGIA

Obtenção de matéria

1. A Obtenção de matéria pelos seres heterotróficos

Dependendo da forma como os seres vivos obtêm a energia química de que necessitam para sobreviver, são classificados em duas classes distintas:

• Seres autotróficos: seres que conseguem sintetizar a sua própria matéria orgânica a partir de matéria inorgânica, utilizando uma fonte de energia externa, pelo processo de fotossíntese. São exemplos as plantas, as algas e algumas bactérias.

• Seres heterotróficos: seres vivos que apenas conseguem sintetizar a sua matéria orgânica a partir de outra matéria orgânica que lhe é fornecida pelo meio ambiente. São, portanto, dependentes da matéria orgânica produzida pelos seres autotróficos.

1.1 Permuta de matéria entre as células e o meio: ultra-estrutura da membrana celular

Como já foi referido, as células possuem uma membrana plasmática ou celular, que:

• Delimita exteriormente a célula
• Mantém a integridade celular
• Cria uma barreira seletiva que assegura uma superfície de troca de substâncias, de energia e de informação entre o meio intracelular e extracelular.

Do ponto de vista químico, as membranas são complexos lipoproteicos, podendo também conter glícidos. Os fosfolípidos são os principais lípidos que fazem parte da membrana. Tanto os glicolípidos como os fosfolípidos possuem uma extremidade polar, hidrofílica, e uma extremidade apolar, hidrofóbica. Também as proteínas membranares possuem zonas hidrofóbicas e zonas hidrofílicas.

O estudo da membrana plasmática foi evoluindo graças ao trabalho de vários cientistas e à evolução tecnológica. Existem dois modelos que tentam explicar a estrutura da membrana celular:

“Modelo de Sanduíche”, de Danielli e Davson (1952)

Atendendo ao comportamento dos fosfolípidos na presença de água, este modelo defendia a existência de uma bicamada fosfolipídica que garantia que as cadeias hidrofóbicas ficassem estabilizadas, voltadas para o interior da bicamada, enquanto as proteínas se ligavam às extremidades hidrofílicas dos lípidos, revestindo a bicamada interne e externamente. Ao longo da bicamada existiriam interrupções, rodeadas por proteínas, que formariam passagens nas quais poderiam circular os iões e as substâncias polares. Por outro lado, as substâncias não polares entrariam diretamente, atravessando a bicamada.

“Modelo de mosaico fluido”, de Singer e Nicholson (1972)

É o modelo atualmente aceite. Este também considera a existência de uma bicamada fosfolipídica na qual as proteínas podem estar inseridas (proteínas intrínsecas), ou à superfície da membrana plasmática na face interna ou externa (proteínas extrínsecas ou periféricas), lembrando um mosaico fluido. Os glícidos encontram-se à superfície da membrana ligados a lípidos (glicolípidos) ou a proteínas (glicoproteínas).

As membranas não são estáticas, apresentando tanto os fosfolípidos como as proteínas movimentos. No caso dos fosfolípidos, estes apresentam mobilidade lateral.

A membrana celular possui permeabilidade seletiva, isto é, permite a passagem facilitada de certas substâncias, dificultando ou impedindo a passagem de outras. Os processos através dos quais as substâncias atravessam as membranas biológicas são de dois tipos distintos.

Processos passivos – não implicam dispêndio de energia e incluem: 

• Difusão Simples: as partículas deslocam-se de zonas onde a sua concentração é maior para zonas onde esta é menor (movimentação a favor do gradiente de concentração), até se atingir uma distribuição uniforme dessas partículas. A velocidade de movimentação do soluto é diretamente proporcional à diferença de concentração entre os meios intracelular e extracelular.
• Difusão Facilitada: as substâncias atravessam a membrana a favor do gradiente de concentração, ou seja, da região onde se encontra a maior concentração de soluto para a região de menor concentração; A velocidade do processo é superior se comprada à difusão simples, pois neste caso o transporte é mediado por permeases às quais as substâncias a transportar se ligam, sendo o processo constituído por três fases:

1. 1. 1. Combinação da molécula ou substância a transportar com a permease, na face externa da membrana;
      2. Alteração da conformação da permease para permitir a passagem da molécula através da membrana e separação da permease;
      3. Retoma da forma inicial da permease.

• Osmose: refere-se à movimentação da água através de uma membrana semipermeável (permeável ao solvente – a água – e impermeável aos solutos), de um meio hipotónico (meio de menor concentração de soluto e mais moléculas de água) para um meio hipertónico (meio de maior concentração de soluto e menos moléculas de água). Este processo depende, exclusivamente, das concentrações do soluto nas duas soluções. Quando os dois meios se tornam isotónicos, isto é, quando os dois meios atingem iguais concentrações de soluto, o movimento da água passa a ser idêntico nos dois sentidos.

Devido às diferenças morfológicas entre as células animais e vegetais, estas apresentam diferentes comportamentos.

Desta forma, quando uma célula vegetal se encontra mergulhada numa solução hipotónica, vai absorvendo água – por osmose – até atingir o estado de equilíbrio, ficando túrgida. Nesta situação o vacúolo aumenta e empurra o citoplasma contra a parede celular O conteúdo celular exerce pressão de turgescência, mas esta é contrabalançada pela resistência oferecida pela parede celular. Por outro lado, quando uma célula vegetal é mergulhada numa solução hipertónica perde água, o citoplasma contrai-se parcialmente e fica preso à parede celular apenas por alguns filamentos, denominados por filamentos de Hetch. Neste caso a célula se encontra-se plasmolisada.

No caso das células animais, uma vez que não possuem parede celular, ao serem mergulhadas numa solução hipotónica, pode ocorrer a sua lise devido ao aumento do volume celular, ficando também plasmolisadas, ao serem mergulhadas num meio hipertónico.

Processos ativos: implicam dispêndio de energia e há intervenção de proteínas transportadoras. Ocorrem em situações biológicas em que iões ou moléculas necessitam de ser transportados, através da membrana, de regiões onde se encontram menos concentrados para regiões onde se encontram mais concentrados, ou seja, contra o gradiente de concentração.

• Transporte ativo, bomba de Sódio e Potássio: é um complexo enzimático membranar que se pode encontrar em praticamente todas as células animais. Esta enzima (ATPase) requere energia, sob a forma de ATP, e movimenta em sentidos opostos iões Sódio (Na⁺) e iões Potássio (K⁺), saem 3 iões de Sódio e entram 2 iões de potássio,  através da membrana.
• Transporte em grande quantidade (permite o movimento de macromoléculas, partículas com maiores dimensões, ou mesmo pequenas células entre o interior e o exterior da célula):
  • Endocitose: transporte em que há inclusão de material por invaginação da membrana plasmática, formando-se uma vesícula endocítica. Esta pode designar-se fagocitose, quando a célula emite pseudópodes (“falsos-pés”), que envolvem partículas sólidas e as incluem em vesículas fagocíticas, ou pinocitose que é um processo semelhante mas envolve a inclusão de fluidos através da invaginação da membrana, seguida da formação de vesículas pinocíticas no interior da célula.
  • Exocitose: é o processo inverso da endocitose.

1.2 Ingestão, digestão e absorção

Para que os alimentos ingeridos pelos seres heterotróficos possam ser utilizados a nível celular têm que, primeiramente, passar por vários processos, como:

• Ingestão – introdução dos alimentos no organismo;
• Digestão – processo que consiste na transformação e simplificação de moléculas complexas constituintes dos alimentos, em moléculas mais simples, através de reações de hidrólise catalisadas por enzimas (moléculas de natureza proteica), de forma a poderem ser utilizadas e integradas no organismo;
•  Absorção – consiste na passagem  das substâncias resultantes da digestão para o meio interno.

A digestão pode ocorrer no interior das células –  digestão intracelular  – ou fora das células –  digestão extracelular – em cavidades ou em órgãos especializados.

Digestão intracelular

• Os organelos complexo de Golgi, lisossomas e retículo endoplasmático, estão diretamente envolvidos na digestão intracelular. Esta ocorre após as partículas alimentares serem interiorizadas na célula, pelo processo de endocitose, formando-se vesículas endocíticas. A nível do retículo endoplasmático, formam-se proteínas enzimáticas que são incorporadas em vesículas, como os lisossomas, que as transportam até ao complexo de Golgi. Aqui, estas fundem-se com as vesículas endocíticas, formando um vacúolo digestivo, onde ocorre a digestão intracelular. Os resíduos que se formam neste processo são expulsos da célula por exocitose. Este tipo de digestão é típica de seres eucarióticos unicelulares, como a ameba ou a paramécia.

Digestão extracelular

• Característica dos seres heterotróficos multicelulares, pode ser:
  • Extracorporal: no caso dos cogumelos, estes, através das suas hifas, libertam enzimas digestivas sobre o substrato no qual se encontram, ocorrendo a digestão extracorporal, seguida de absorção das substâncias mais simples, também a nível das hifas.
  • Intracorporal (maioria dos animais). Esta última ocorre em tubos digestivos, mais ou menos complexos, apresentando diferentes órgãos especializados. O tubo digestivo pode ser incompleto, se apresentar uma única abertura, ou completo, no caso de apresentar duas aberturas: a boca e o ânus.

Vantagens de um tubo digestivo completo:

• Como os alimentos se deslocam num único sentido, a digestão e a absorção são sequenciais ao longo do tubo, o que se traduz num aproveitamento muito mais eficaz.
• A digestão pode ocorrer em diferentes órgãos, permitindo aos alimentos estarem sujeitos a tratamento mecânico e à ação de diferentes enzimas.
• A absorção é mais eficiente.
• Os resíduos não digeridos acumulam-se durante algum tempo, sendo depois expulsos através do ânus.

2. A obtenção de matéria pelos seres autotróficos

A energia luminosa e/ou química que os seres autotróficos captam, não é utilizada diretamente pelas células, sendo que parte dessa energia é transferida para um composto – o ATP (adenosina trifosfato) que é a fonte de energia utilizável pela célula. Este é formado por:

• Adenina – base azotada
• Ribose – açúcar com cinco carbonos
• Três grupos fosfato – compostos inorgânicos

Uma vez que as células não têm armazenadas grandes quantidades de ATP, a transferência de energia depende do ciclo ATP – ADP.

Da hidrólise de uma molécula de ATP forma-se adenosina difosfato (ADP) e liberta-se um grupo fosfato. Se a adenosina difosfato se hidrolisar, vai formar-se a adenosina monofosfato (AMP), com libertação de outro grupo fosfato.

A hidrólise de ATP trata-se de uma reação exoenergética, uma vez que há transferência de uma determinada quantidade de energia que pode ser utilizada nas atividades celulares, pois a energia mobilizada para romper as ligações químicas é menor do que a energia transferida durante a formação de novas ligações.

Por outro lado, quando ocorre síntese de ATP a partir de ADP e do ião fosfato (fosforilação do ADP), a reação é endoenergética pois a energia mobilizada para romper as ligações é maior do que a energia que se transfere quando se formam novas ligações.

As reacções exoenergéticas a nível celular permitem a formação de ATP, pois a energia é transferida para essa molécula. As reacções endoenergéticas utilizam a energia transferida durante a hidrólise de ATP.

2.1 Fotossíntese

A fotossíntese é o processo utilizado pelos seres fotoautotróficos para a produção de matéria orgânica a partir de água e dióxido de carbono, na presença de energia luminosa. Durante a fotossíntese a energia luminosa é convertida em energia química, que surge sob a forma de um produto de reação – a glicose. Posteriormente, a glicose é convertida noutras substâncias orgânicas, como por exemplo a amido. A fotossíntese ocorre, principalmente, ao nível das folhas das plantas. Por isso, nas células vegetais que constituem as folhas, encontra-se uma grande densidade de cloroplastos e, consequentemente, uma grande quantidade de pigmentos fotossintéticos. As bactérias fotoautotróficas, uma vez que não apresentam cloroplastos, realizam a fotossíntese ao nível de membranas internas, onde se localizam os pigmentos fotossintéticos.

Os cloroplastos são organelos celulares, de forma variada, delimitados por uma dupla membrana lipoproteica (com constituição idêntica à membrana plasmática). A membrana interna do cloroplasto invagina para o interior do organelo formando várias lamelas – os tilacoides – os quais se encontram sobrepostos formando o granum. Nas membranas dos tilacoides encontram-se os pigmentos fotossintéticos, como a clorofila, os carotenos e as ficobilinas, que têm a capacidade de absorver energia luminosa e convertê-la em energia química. Os tilacoides estão mergulhados no estroma, um material amorfo onde também se podem encontrar partículas de amido e gotículas de lípidos.

A clorofila a e b, os carotenos e as xantofilas são os principais pigmentos presentes nas células das plantas.

O espectro luminoso e a Fotossíntese

O espectro solar é constituído por radiações com diferentes comprimentos de onda, que vão desde as ondas rádio (elevado comprimento de onda, baixa energia), até aos Raios Gama (baixo comprimento de onda, elevada energia). Entre as várias radiações do espectro, o olho humano apenas consegue visualizar luz com comprimentos de onda compreendidos entre os 380nm e 750nm – espectro da luz visível ou luz branca. Esta, ao atravessar um prisma ótico, decompõe-se nas várias radiações que a constituem e que variam entre o violeta e o vermelho.

A experiência de Theodore Engelmann

Theodore Engelmann realizou uma experiência que consistiu na observação ao microscópio ótico, de um filamento de Spirogyra (alga filamentosa), entre lâmina e lamela, usando como meio de montagem água com bactérias aeróbias (que utilizam O₂ na sua respiração). Ele observou que quando a luz branca incidia sobre a lâmina, as bactérias estavam uniformemente dispersas pela preparação, no entanto, ao adaptar um prisma ao microscópio, que decompôs essa luz branca, verificou que, ao fim de algum tempo as bactérias se encontravam aglomeradas junto às zonas vermelho – alaranjada e azul-violeta. Esta observação permitiu concluir que estes comprimentos de onda são os mais eficazes para a realização da fotossíntese, uma vez que as bactérias deslocaram-se para essas zonas à procura oxigénio fornecido pela Spirogyra através da fotossíntese. Ou seja, estas radiações são as mais absorvidas pelas plantas de cor verde, uma vez que a maiores taxas fotossintéticas correspondem as maiores taxas de absorção de radiação. Efetivamente, as plantas de cor verde não absorvem as radiações com comprimentos de onda correspondentes à cor verde, essas são refletidas, daí vermos a cor verde nas plantas.

A Fotossíntese ocorre em duas etapas:

1. Fase fotoquímica: é a fase em que a energia luminosa é captada e convertida em energia biologicamente utilizável. Tem lugar nos tilacoides dos cloroplastos. Esta fase envolve as seguintes etapas:

• • Fotólise da água: na presença de luz, as moléculas de água dissociam-se em oxigénio, que se liberta, hidrogénio (que será utilizado noutras etapas) e eletrões (a água é o dador primário de eletrões; estes vão repor os eletrões perdidos pela clorofila, após excitação pela absorção luminosa).
  • Oxidação da clorofila a: a clorofila a, ao absorver energia luminosa fica excitada e liberta eletrões que são transferidos para uma cadeia transportadora de eletrões, ficando oxidada.
  • Fluxo de eletrões: os eletrões ao passarem através das cadeias transportadoras, vão baixando o seu nível energético. Essas transferências de energia que ocorrem permitem a fosforilação da molécula de ADP, que a passa a ATP – fotofosforilação.
  • Redução do NADP⁺: os protões provenientes da fotólise da água, juntamente com eletrões provenientes do fluxo eletrónico da cadeia de transportadores, São fundamentais para reduzir uma molécula transportadora de hidrogénio NADP⁺ (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato), transformando-se em NADPH.

2. Fase química – ciclo de Calvin: corresponde ao conjunto de reações da fotossíntese não dependentes da luz, ocorre no estroma dos cloroplastos e analisa o percurso do CO₂ desde a entrada no processo até à sua integração em compostos orgânicos. A síntese de compostos orgânicos necessita da presença de CO₂, ATP e NADPH.

Nesta fase a Ribulose difosfato, um composto com 5 átomos de Carbono e dois átomos de fósforo, combina-se com o CO₂ absorvido para formar um composto com 6 átomos de Carbono, extremamente instável. Este rapidamente se desdobra em dois compostos com três átomos de carbono cada, o ácido fosfoglicérico – PGA. As duas moléculas de PGA formadas são fosforiladas pelo ATP e reduzidas pelo NADPH, formados na fase fotoquímica, originando cada uma delas outro composto, o aldeído fosfoglicérico – PGAL, que continua a ter três carbonos. Estas duas moléculas de PGAL vão seguir dois caminhos diferentes. A maior parte vai intervir na regeneração da Ribulose difosfato, outra parte é utilizada para síntese de outras substâncias no estroma, principalmente síntese de glicose, sendo necessário que o ciclo se repita seis vezes, para se formar uma molécula de glicose.

2.2 Quimiossíntese

Ao contrário das plantas, alguns seres vivos, conseguem reduzir o dióxido de carbono sem utilizar a energia luminosa – são seres quimioautotróficos ou quimiossintéticos. Neste caso não ocorre fotossíntese mas sim quimiossíntese. Como não há recurso à energia solar, a energia usada é proveniente da oxidação de compostos minerais. Estes são os dadores primários de eletrões e não a água.

Tal como na fotossíntese, também aqui podemos considerar duas etapas:

1. Oxidação de substratos minerais: é desta oxidação que resulta um fluxo de eletrões e protões provenientes do substrato considerado, formando-se um composto redutor, o NADPH e moléculas de ATP. Parte da energia aqui mobilizada é transferida para as moléculas de ATP.
2. Etapa equivalente à fase química da fotossíntese: nesta fase ocorre a redução do CO₂ o que conduz à síntese de substâncias orgânicas.

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