Biologia e Geologia 10º ano | Transformação e utilização de energia pelos seres vivos

BIOLOGIA E GEOLOGIA A | 10º ANO

TRANSFORMAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE ENERGIA PELOS SERES VIVOS

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BIOLOGIA

Transformação e utilização de energia pelos seres vivos

1. Fermentação

Em todos os seres vivos, dos mais simples aos mais complexos, a matéria que chega às células vai sofrer uma série de reações químicas – metabolismo celular, que apenas se efetuam se houver disponibilidade constante energia. A fonte imediata de energia, essencial para que ocorra metabolismo celular é o ATP. Aliás, todas as atividades vitais próprias de um ser vivo, requerem energia.

Metabolismo celular: define-se como o conjunto de reações químicas, essenciais à vida, que ocorrem a nível celular e que envolvem transferência de energia. Pode ser dividido em:

• Anabolismo: conjunto de reações químicas endoenergéticas (implicam consumo de energia) que levam à formação de novos produtos, ou seja, à síntese de substâncias mais complexas a partir de substâncias mais simples. Formação de proteínas a partir de aminoácidos.
• Catabolismo: conjunto de reações químicas exoenergéticas (há libertação de energia) que consistem na degradação de substâncias complexas em moléculas mais simples. Degradação de glicose em CO₂ e H₂0, durante a respiração celular.

A energia libertada é armazenada em moléculas de Adenosina trifosfato (ATP), uma vez que não pode haver energia livre dentro das células. O ATP é o transportador energético das células e deve estar disponível constantemente, para que as células cresçam, se mantenham vivas e se reproduzam.

Os processos catabólicos podem ocorrer na presença de oxigénio – em aerobiose, ou na ausência de oxigénio – em anaerobiose. No entanto, através de várias experiências realizadas nomeadamente com leveduras, provou-se que as reações de catabolismo em aerobiose são mais eficientes/rentáveis que as reações catabólicas que ocorrem em anaerobiose.

Glicólise – etapa comum à fermentação e à respiração aeróbia

Apesar da fermentação e da respiração aeróbia serem duas vias catabólicas diferentes e que conduzem a produtos de reação diferentes, apresentam uma primeira etapa comum – a Glicólise. Esta etapa compreende uma sequência de reações químicas, em que uma molécula de glicose (6 carbonos), por ação de energia de ativação fornecida por duas moléculas de ATP (ATPàADP) fica fosforilada (ganha um grupo fosfato em cada extremidade) e se desdobra em duas moléculas. Estas possuem, cada uma, 3 carbonos e 2 fósforos inorgânicos, pois é entretanto incorporado mais um átomo de fósforo a cada uma das moléculas. Ocorre nesta fase a libertação de dois átomos de Hidrogénio que vão reduzir duas moléculas de NAD+, originado NADH.

Durante a glicólise é libertada energia, devido à separação dos grupos fosfato, com formação de duas moléculas de ácido pirúvico. Essa energia será absorvida pala reação ADP mais radical fosfato levando à formação de 4 moléculas de ATP por cada molécula de glicose degradada. Esta fase ocorre no hialoplasma da célula pois é aí que se encontram as enzimas necessárias para catalisar as diversas reações.

A fermentação é uma via catabólica que ocorre em anaerobiose e na qual se dá a oxidação incompleta de substâncias orgânicas, como a glicose, com diminuta produção de energia (ATP).

Fermentação Alcoólica

Como foi referido, a glicólise corresponde apenas à primeira etapa da fermentação. Para que esta se concretize, há uma série de reações que têm que prosseguir. Desta forma, as duas moléculas de ácido pirúvico, formadas no final da glicólise, sofrem uma descarboxilação libertando duas moléculas de CO2 e formando duas moléculas, cada uma com dois carbonos. Os dois NADH, formados durante a glicólise, cedem dois átomos de Hidrogénio a cada uma destas novas moléculas, ficando oxidados (NADHàNAD+), formando-se, como produtos finais, etanol e CO₂. Em termos de rendimento energético, a fermentação alcoólica origina 2 moléculas de ATP por cada molécula de glicose degradada. A fermentação alcoólica ocorre, por exemplo, nas leveduras.

Fermentação láctica

As duas moléculas de ácido pirúvico, formadas no final da glicólise, recebem, cada uma delas, um átomo de Hidrogénio proveniente das duas moléculas de NADH também formadas previamente. O NADH fica então oxidado (NADHàNAD+). O ácido pirúvico, reduzido pelo NADH, dá origem a ácido láctico, que é o produto final desta fermentação. O rendimento energético da fermentação lática, tal como da fermentação alcoólica, é de duas moléculas de ATP sintetizadas durante a glicólise. Este tipo de fermentação é realizado, por exemplo, pelos bacilos lácteos.

2. Respiração aeróbica

A respiração aeróbia é um via catabólica que ocorre em aerobiose e na qual se dá a oxidação completa de substâncias orgânicas, originado compostos mais simples como CO2 e H2O, com elevada produção de energia (ATP).

Neste processo, as mitocôndrias possuem um papel preponderante, pois é no seu interior que ocorrem etapas fundamentais da respiração aeróbia. Desta forma, as moléculas de ácido pirúvico, formadas no final da glicólise, penetram no interior da mitocôndria. Na matriz mitocondrial, as moléculas de ácido pirúvico são oxidadas, pela ação de NAD+ que se reduz a NADH, e descarboxiladas (liberta-se CO₂), formando-se um composto intermédio com dois átomos de carbono, que vai intervir num ciclo de reações – o ciclo de Krebs. Este consiste num numa sequência de múltiplas descarboxilações e oxidações que fazem com que a glicose seja totalmente degradada. Os átomos de Hidrogénio, removidos nas oxidações, vão reduzir moléculas como o NAD+, formando moléculas de alto nível energético como o NADH. Estas transferem os eletrões captados para as cadeias transportadoras de eletrões, que se localizam na membrana interna das mitocôndrias. Os eletrões passam por várias proteínas até serem captados pelo oxigénio (este é o aceitador final de eletrões), ao qual também se liga um par de iões de Hidrogénio da matriz, formando água. O fluxo de eletrões ao longo da cadeia transportadora de eletrões liberta muita energia, parte da qual é transferida para a síntese de moléculas de ATP.

O balanço energético da respiração aeróbia varia de acordo com o tipo de células em que esta ocorre, uma vez que há células, como as hepáticas ou as cardíacas, que necessitam de maior aporte energético comparativamente a outras células. Desta forma, o balanço final varia entre 36 ATP e 38 ATP, por cada molécula de glicose degradada. A maioria do ATP é formado ao longo da cadeia de transporte de eletrões, devido às fosforilações oxidativas que aí ocorrem, sendo apenas uma pequena parte formada na glicólise e no ciclo de Krebs.

3. Trocas em seres multicelulares

Todos os seres vivos aeróbios necessitam de um fluxo constante de oxigénio para o interior das células e de uma eliminação eficaz, para o exterior, do dióxido de carbono que se forma como produto das reações metabólicas.

3.1 Nas plantas

No caso das plantas, as funções metabólicas que estas realizam, e que são indispensáveis à sua sobrevivência, como a respiração, a fotossíntese e a transpiração estão associadas a trocas gasosas reguladas, principalmente, através dos estomas das folhas. O funcionamento destes já foi explicado na Unidade Distribuição de matéria.

3.2 Nos animais

Todos os animais apresentam superfícies especializadas nas trocas gasosas entre o meio externo e o meio interno – são as superfícies respiratórias. No entanto, os sistemas respiratórios variam de acordo com o tipo de animal, podendo as trocas gasosas realizar-se através de:

• Difusão direta: ocorre quando existe uma troca direta de gases respiratórios entre a superfície respiratória e as células. Ex. Insetos.
• Difusão indireta: ocorre quando as trocas gasosas são intermediadas por um fluido circulante – normalmente o sangue, no qual os gases se dissolvem. Ou seja, os gases respiratórios passam da superfície respiratória para o fluido circulante e deste para as células. Ex. Minhocas e vertebrados.

Na difusão indireta, a dupla troca de gases que se verifica nas superfícies respiratórias designa-se hematose.

Variedade de superfícies respiratórias

Apesar das características, que as superfícies respiratórias apresentam, variarem de acordo com o tipo de animal, há particularidades comuns a todas elas, que lhes permitem uma difusão eficiente, nomeadamente:

• São superfícies húmidas, o que facilita a dissolução de oxigénio e de dióxido de carbono, pois para que ocorra hematose estes necessitam de estar dissolvidos.
• De forma a tornarem-se permeáveis aos gases, as superfícies respiratórias são muito finas, normalmente constituídas por uma única camada celular.
• No caso da difusão indireta, a superfície respiratória é altamente vascularizada, para uma eficiente troca gasosa entre a superfície e o fluido circulante.
• A sua morfologia permite-lhes aumentar a área de contacto, sem aumentar consideravelmente o volume, possuindo dessa forma uma grande superfície de trocas.

• O tegumento
  • O tegumento corresponde à superfície corporal onde ocorrem as trocas gasosas por difusão indireta, como é o caso das minhocas. Neste caso a superfície do corpo é fortemente vascularizada e os gases respiratórios atravessam a pele, penetram no sistema circulatório, dissolvem-se no fluido circulante que irriga todo o organismo, chegando desse modo a todas as células do animal.
• As traqueias
  • Estas encontram-se nos insetos e consistem numa rede de tubos – traqueias, por onde circula o ar, que entra pelos orifícios existentes à superfície do corpo – os espiráculos. Esta rede vai-se ramificando em canais mais finos – traquíolas, ao longo do corpo. As trocas gasosas realizam-se por difusão direta.
• As brânquias
  • As brânquias constituem os órgãos respiratórios dos animais aquáticos (os peixes, moluscos, equinodermes, crustáceos, entre outros), sendo que a hematose branquial atinge o seu pico de eficácia nos vertebrados aquáticos. Apresentam uma grande área, ricamente vascularizada em que as trocas gasosas se realizam por difusão indireta. Localizam-se, normalmente, em duas câmaras branquiais situadas nas laterais da cabeça.
• Os pulmões
  • No caso dos vertebrados terrestres, estes possuem pulmões, onde as trocas gasosas ocorrem por difusão indireta. Estes órgãos apresentam uma rede mais ou menos complexa de tubos e sacos que varia com a espécie.
  • No caso dos mamíferos, a sua complexa estrutura torna a hematose pulmonar (trocas gasosas entre os alvéolos pulmonares e o sangue) muito eficiente, uma vez que a estrutura dos alvéolos permite criar uma grande área da superfície, para além disso possuem uma finíssima espessura e encontram-se envolvidos numa densa rede de capilares sanguíneos.

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