Biologia Unidade 1. Obtenção de matéria pelos seres heterotróficos
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- Ronaldo Van Der Vinne Ramalho
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1 Obtenção de matéria pelos seres heterotróficos
2 Seres heterotróficos seres vivos que efectuam a síntese de moléculas orgânicas, utilizando moléculas orgânicas que fazem parte dos alimentos. Seres Heterotróficos Autotróficos Macroconsumidores Microconsumidores Fotossintéticos Quimiossintéticos
3 Que estratégias utilizam os seres heterotróficos para obter alimentos? Cortar os alimentos Estrangular Apetite voraz Longo bico para captar alimento Patas altas e boa visão Picadela para sugar sangue. Dos seres unicelulares aos seres pluricelulares Alimentos - substâncias complexas (processo da digestão) Substâncias simples (nutrientes)
4 Digestão Seres unicelulares ocorre no interior da própria célula. Seres multicelulares Extracelularmente, em cavidades, e em muitos casos em órgãos especializados. Mas, mesmo nestes organismos, é nas células que as substâncias resultantes da digestão vão ser utilizadas. A vida das células depende, assim, do movimento de substâncias através da membrana celular.
5 Como está organizada a membrana celular? Biologia Unidade 1 A membrana celular constitui um elemento de controlo das substâncias que se movimentam do meio externo para o meio interno e vice-versa. Esse intercâmbio efectua-se através da membrana celular, cujo arranjo molecular condiciona as respectivas permutas. A membrana é uma estrutura selectiva.
6 A membrana apresenta maior permeabilidade para umas substâncias do que para outras, sendo mesmo impermeáveis a alguns compostos.
7 Ultra-estrutura da membrana celular A membrana plasmática mantém a integridade da célula e assegura duas funções complementares: barreira de separação entre dois meios distintos; superfície de troca de substâncias, de energia e de informação entre esses meios. Composição química Complexos lipoproteicos Glícidos Lípidos: Fosfolípidos Colesterol Glicolípidos Composição estrututral Modelos da membrana
8 Modelos de Estrutura Molecular da Membrana Biologia Plasmática Unidade 1 Os modelos vão sendo substituídos por outros na medida em que deixam de responder aos problemas que se levantam. Após conhecer-se o comportamento dos fosfolípidos em presença da água e sabendo que existe água tanto no meio extracelular como no meio intracelular, admitiu-se que a membrana deveria ter uma estrutura complexa, na qual os fosfolípidos formariam uma bicamada. As cabeças polares estariam viradas para o meio extracelular e intracelular, respectivamente, e as cadeias hidrofóbicas voltadas umas para as outras.
9 Langmuir início séc. XX Gorter e Grendel 1925
10 Danielli e Davson admitiram, em 1935, que a membrana deveria ser uma estrutura complexa, na qual os fosfolípidos formariam uma bicamada. As cabeças polares estariam viradas para o meio extracelular e intracelular, respectivamente, e as cadeias hidrofóbicas voltadas umas para as outras. As zonas hidrofílicas dos fosfolípidos estariam ligadas às proteínas, formando uma camada contínua, quer na superfície externa quer na superfície interna. Davson e Danielli 1935
11 Este modelo não explicava a permeabilidade das membrana a iões e a substâncias polares. Danielli e Davson apresentaram em 1954 um modelo de estrutura membranar que procurava explicar as propriedades da membrana. A disposição em bicamada dos fosfolípidos garantia que as cadeias hidrofóbicas ficassem estabilizadas, enquanto que as proteínas se ligavam às extremidades hidrofílicas dos lípidos. As interrupções na bicamada lipídica, constituindo poros rodeados por moléculas de proteínas, formariam passagens, através das quais poderiam circular os iões e as substâncias polares como a água. As substâncias não polares entrariam directamente, atravessando a zona fosfolipídica.
12 Modelo reformulado de Davson e Danielli 1954
13 No início da década de 50 do século xx, o microscópico electrónico permitiu a observação da ultra-estrutura de membranas, que surge formada por duas zonas escuras, separadas por uma banda clara. Membrana plasmática em corte transversal (ME X) e respectivo esquema interpretativo.
14 Foto de Microscópio electrónico Ultra-estrutura da membrana 2 zonas escuras correspondiam às proteínas e aos pólos hidrófilicos dos fosfolípidos 1 banda clara correspondia às zonas hidrofóbicas dos fosfolípidos
15 Em consequência de novas pesquisas, outros dados foram surgindo, os quais não eram conciliáveis com o modelo adoptado.
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17 Segundo este modelo: A membrana plasmática é constituída por uma bicamada fosfolipídica. A membrana não é sólida, pois nela existe proteínas e essencialmente os fosfolípidos apresentam movimentos: Laterais na mesma camada, bastante comuns; Transversais - também conhecidos como movimentos flip-flop, entre camadas, raros. Isto permite uma grande fluidez da membrana.
18 Mobilidade dos fosfolípidos Movimentos de difusão lateral Movimentos de flip-flop Ou de cambalhota
19 Segundo este modelo, a membrana citoplasmática é uma estrutura fluida na qual as moléculas não ocupam posições rígidas.
20 Glicolípido Proteínas intrínsecas ou integrada atravessam toda a bicamada fosfolipídica Colesterol entre os fosfolípidos: Proteína extrínseca ou periférica: não penetra na bicamada Bicamada Fosfolipídica
21 Lípidos da membrana Colesterol Glicolípidos Fosfolípidos Fitoesteróis (membranas de células vegetais) Complexos lipoproteicos (proteínas, lípidos e hidratos de carbono)
22 Que processos asseguram o transporte de substâncias através da membrana celular? Transporte de materiais através da membrana plasmática. Principais tipos de movimentos de substâncias através da membrana citoplasmática Mecanismos de troca de materiais Passivo (a favor do gradiente de concentração) sem gasto de energia Osmose Difusão simples Difusão facilitada Activo (Contra o gradiente de concentração) com gasto de energia Transporte não mediado (osmose e difusão simples) Transporte mediado (difusão facilitada e transporte activo)
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24 Exemplo Trocas gasosas ao nível dos alvéolos pulmonares Bronquíolos Dióxido de Carbono (CO 2 ) Alvéolos Capilar sanguíneo Oxigénio (O 2 )
25 Transporte não mediado No movimento de água e de outras substâncias entre a célula e o meio não intervêm moléculas transportadoras. Muitas substâncias atravessam a membrana plasmática, ocorrendo esse movimento a favor do gradiente de concentração, ou seja, do meio em que se encontram em maior concentração para o meio onde se encontram em menor concentração. Esse movimento é regulado pelas leis físicas de transporte através de um membrana permeável. Difusão de dois solutos diferentes separados por uma membrana permeável a ambos.
26 DIFUSÃO SIMPLES: Processo de transporte em que as partículas de uma substância se movimentam de zonas onde a sua concentração é maior para zonas em que a concentração é menor. A favor do gradiente de concentração. A permeabilidade da bicamada lipídica depende: do tamanho das moléculas; da respectiva carga eléctrica; e da solubilidade nos lípidos. Por isso mesmo, alguns iões e moléculas polares sem carga não conseguem transpor a bicamada fosfolipídica.
27 Movimento da água Osmose A água é uma substância indispensável à actividade celular. Ela transpõe constantemente a membrana plasmática num e noutro sentido, sendo a sua movimentação controlada por fenómenos físicos. Osmose movimento de moléculas de água entre dois meios separados por uma membrana
28 No dispositivo experimental a água pura está separada de uma solução por uma membrana permeável à água mas não às substâncias dissolvidas. Nestas condições a água movimentar-se-ia para o lado esquerdo do tubo e o nível da solução subiria. Para impedir o movimento da água, exerce-se uma força com um pistão sobre o topo da solução até ficar constante o nível nos dois ramos do tubo.
29 O modelo representado evidencia: Pressão osmótica é a pressão necessária para contrabalançar a tendência da água se mover através de uma membrana selectivamente permeável, da região onde há maior quantidade de moléculas de água para a região onde há menor quantidade de moléculas de água. Solução = solvente + soluto Exemplos: Água Plasma Glicose, glicerina, aminoácidos. e vitaminas
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31 A pressão osmótica da água pura é zero. Solução I Elevada concentração de água Elevado potencial de água Baixa concentração de soluto Tem uma pressão osmótica baixa HIPOTÓNICA Solução II Baixa concentração de água Baixo potencial de água Elevada concentração de soluto HIPERTÓNICA Tem uma pressão osmótica elevada
32 Soluções Hipotónica Hipertónica Isotónica Esta classificação é em relação ao soluto e não ao solvente Nota: esta classificação de soluções só é usada quando se compara 2 soluções.
33 Transporte passivo Transporte activo Substância que se movimenta.
34 A favor do gradiente de concentração movimento do soluto do meio onde está mais concentrado para o meio onde está menos concentrado. Nota: se for em relação à osmose, corresponde ao movimento de água do meio com alto potencial de água para o meio com baixo potencial de água. Quanto maior for a diferença de concentração de soluto nos dois meios maior é a velocidade de entrada.
35 A existência de sais minerais, açúcares e outras substâncias dissolvidas no citoplasma confere às células uma pressão osmótica específica. A água tende, portanto, a mover-se de uma região com menor pressão osmótica (solução hipotónica) para uma região com maior pressão osmótica (solução hipertónica). No caso de o meio extracelular ser isotónico em relação ao meio intracelular, as células recebem água ao mesmo ritmo com que a perdem.
36 Na situação A, as células das pétalas foram montadas em água destilada, que constitui um meio hipotónico em relação ao meio intracelular. Em consequência, o movimento de água processou-se do meio extracelular células, que ficaram túrgidas. para o interior das
37 Na situação B, o meio extracelular, solução de cloreto de sódio a 12 %, é hipertónico em relação ao meio intracelular. Por isso houve saída de água do meio intracelular, onde ela existe em maior concentração, para o meio exterior, com menor concentração de água. Em consequência desse movimento de água, as células ficaram plasmolisadas.
38 Em células animais, os mecanismos de transporte da água através da membrana são semelhantes aos que ocorrem nas células das plantas. Simplesmente, devido à ausência de parede esquelética, o comportamento das células é algo diferente. Como se comportam os glóbulos vermelhos quando mergulhados em soluções de diferente concentração? Normalmente as hemácias estão em suspensão no plasma, que é isotónico em relação ao conteúdo celular. As hemácias humanas apresentam a forma característica de discos bicôncavos (situação A). A
39 No caso de o meio ser hipotónico relativamente ao meio intracelular, ocorre entrada de água e o volume das hemácias aumenta (situação B). B
40 No entanto, se os glóbulos vermelhos forem colocados numa solução hipertónica em relação ao conteúdo celular, perdem água, ficando a superfície externa enrugada (situação C). C
41 Se o meio for fortemente hipotónico em relação ao interior das células, verifica-se um aumento de volume tão acentuado que a membrana celular rompe, extravasando o conteúdo da célula. Dá-se a lise (destruição) celular, que, no caso concreto das hemácias, se denomina hemólise (situação D).
42 A lise celular sucede nas células animais, por não existir a parede esquelética. Nas células das plantas, das bactérias e dos fungos, a parede esquelética exerce uma pressão, pressão de parede, em sentido contrário, o que condiciona a quantidade de água que penetra na célula, impedindo o seu rebentamento.
43 CÉULA ANIMAL Osmose em células c vegetais e animais SOLUÇÃO ISOTÓNICA Célula normal SOLUÇÃO HIPOTÓNICA Célula túrgida ou com lise celular SOLUÇÃO HIPERTÓNIC A Célula plasmolisada Mantém-se o volume celular. Aumento do volume celular, podendo ocorrer rebentamento. Diminuição de volume celular por retracção da célula. Célula normal Célula túrgida Célula plasmolisada CÉLULA VEGETAL Mantém-se o volume celular. Aumento do tamanho dos vacúolos e do volume citoplasmático. A parede celular impede a lise celular. Diminuição do tamanho dos vacúolos, sem alteração do volume celular. Retracção do citoplasma que apenas se liga à parede celular pelos plasmodesmos.
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45 Comportamento das hemácias em meios com diferentes concentrações Célula normal Célula túrgida Célula plasmolisada
46 Alterações do volume vacuolar em células vegetais Células em meio isotónico
47 Células em meio hipotónico
48 Células em meio hipertónico
49 Através da membrana ocorrem movimentos não mediados as substâncias transpõem a membrana sem intervenção específica de moléculas transportadoras. mediados são proteínas membranares que transportam as substâncias do meio extracelular para o meio intracelular e vice-versa. osmose difusão simples transporte activo difusão facilitada
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51 Transporte mediado Transporte Passivo Mediado Apesar do carácter hidrofóbico da bicamada lipídica dificultar a passagem de iões e moléculas polares, verifica-se que as membranas plasmáticas são permeáveis a: Diversos iões como Na +, K + ou Ca 2+ Moléculas polares como açúcares ou aa.
52 Como explicar esta permeabilidade? Através de proteínas específicas da membrana que intervêm como proteínas transportadoras. Proteínas canal Canais iónicos Difusão facilitada Canais hidrofílicos Proteínas permeases Ligam-se transitoriamente à substância a transportar transferindo-as para o outro lado da membrana.
53 TRANSPORTE MEDIADO Processo de transporte através da membrana celular em que as partículas de uma substância tendem a movimentar-se com a intervenção de proteínas transportadoras. DIFUSÃO FACILITADA Processo de transporte de substâncias a favor do gradiente de concentração. É mediado por proteínas transportadoras (permeases) e pensa-se que ocorre sem mobilização de energia pela célula. Exemplos: Glicose Aminoácidos glicerina certas vitaminas.
54 Admite-se que o processo considerado se efectua em três etapas: Elevada Concentração de soluto Permease Baixa
55 combinação da molécula a transportar com a proteína transportadora na face externa da membrana plasmática; Biologia Unidade 1 passagem da molécula através da membrana e sua separação da proteína transportadora; regresso da proteína transportadora à forma inicial. Como funcionam as permeases? As proteínas transportadoras têm locais específicos a que se ligam as moléculas ou iões a transportar, podendo intervir de diversas formas. Algumas dessas proteínas ligam-se por algum tempo às moléculas ou iões e, alterando a sua forma, transferem-nas para o interior do hialoplasma, retornando depois à forma inicial.
56 Exemplo: A entrada de glicerina em diversas variedades de uma bactéria (bacilo Biologia subtil) Unidade apresenta 1 aquelas características difusão facilitada (B) enquanto noutras variedades da mesma bactéria tal não acontece, verificando-se uma difusão simples (A) da glicerina.
57 Na difusão simples a velocidade de movimentação do soluto é directamente proporcional à diferença de concentração entre os dois meios Biologia (intracelular Unidade e 1 extracelular). É o que se verifica com a entrada de glicerina em determinada variedade do bacilo subtil (A). Quanto maior for a concentração de glicerina, maior é a velocidade de penetração através da membrana.
58 No entanto, quando a concentração de glicerina no meio é relativamente baixa, vai existir uma competição entre os dois tipos de bactérias. Biologia Unidade 1 Nestas circunstâncias, a velocidade de penetração de glicerina no caso B (difusão facilitada) é maior, o que indica que as bactérias que possuem esse tipo de transporte estão em vantagem nesse meio. No mecanismo de transporte da glicerina, na situação B (difusão facilitada), intervêm proteínas transportadoras da membrana, chamadas permeases.
59 O gráfico ao lado representa a variação da taxa de difusão de duas substâncias distintas, A e B, face à diferença de concentração dessas substâncias nos meios intra e extracelular. A substância A atravessa a membrana plasmática através de difusão facilitada e a substância B através de difusão simples. Legenda: Gráfico comparativo da taxa de difusão de substâncias em função da diferença de concentração entre os meios nos processos de difusão facilitada (A) e difusão simples (B). Como é possível observar no gráfico, devido à intervenção das proteínas transportadoras na difusão facilitada (A), a velocidade de difusão neste processo é substancialmente maior.
60 A velocidade de transporte da substância aumenta com a concentração dessa substância, mas quando todos os locais de ligação das permeases estão ocupados, isto é quando as proteínas transportadoras ficam saturadas, a velocidade de transporte mantém-se constante, mesmo que aumente a concentração da substância.
61 A glucose e outras moléculas polares podem atravessar a membrana através do processo de difusão facilitada. Estas moléculas entram na célula ajudadas por proteínas da membrana (permeases). As proteínas ligam-se as moléculas a transportar, sofrem alteração na sua configuração, permitindo que as moléculas atravessem a membrana. Uma vez libertadas as moléculas no interior da célula, as permeases voltam ao seu estado inicial.
62 Este processo, aparentemente sem gasto de energia, envolve a intervenção de proteínas, por isso, as alterações de temperatura e a presença de venenos afectam o transporte, pois podem provocar a desnaturação (alteração da estrutura) das proteínas envolvidas. Do mesmo modo, também e explicado que a velocidade de difusão facilitada não depende apenas da concentração da substancia a transportar, mas também do numero de permeases disponíveis para mediar o transporte. Quando todas as proteínas estão envolvidas no transporte, dizemos que estas ficam saturadas, estabilizando a velocidade da difusão.
63 TRANSPORTE ACTIVO: Processo de transporte mediado que se realiza com dispêndio de energia pela célula e contra o gradiente de concentração, ou seja, as substâncias são transportadas do local onde a concentração é mais baixa para o local onde a concentração é mais elevada. A célula pode manter uma ou várias substâncias em concentrações muito diferentes nos meios intracelular e extracelular.
64 Meio envolvente > > >
65 < > Já nas células de Halicystis há uma maior concentração do ião K + dentro da célula, enquanto que a concentração de Na + se mantém inferior àquela que existe na água.
66 Após a morte das células os iões difundem-se rapidamente, até que as concentrações intracelular e extracelular se igualem. O facto de a inibição da respiração impedir a manutenção das diferenças de concentração levou a pensar que este transporte implica dispêndio de energia por parte da célula, sendo por isso designado por transporte activo.
67 Um outro exemplo de uma situação em que ocorre transporte activo verifica-se em hemácias. Estas células trocam certos iões (Na +, K + ) com o meio, por transporte Biologia activo. Unidade 1 A manutenção de certas substâncias em concentração diferente no interior e no exterior das células envolve transporte activo. A célula mantém a diferença de concentração entre os dois meios porque: O sódio entra para a célula por difusão (a favor do gradiente de concentração) e sai por transporte activo (contra o gradiente de concentração)
68 O potássio sai da célula por difusão (a favor do gradiente de concentração) e entra por transporte activo (contra o gradiente de concentração). Biologia Unidade 1 Assim o meio extracelular apresenta sempre uma maior concentração de sódio e o intracelular, uma maior concentração de potássio. Se as células forem privadas de ATP as concentrações de iões nos dois meios tornam-se iguais. O transporte activo deixa-se de poder realizar-se, continuando a verificar-se difusão até se igualarem as concentrações nos dois meios.
69 Bomba sódio - potássio Elevada Baixa Concentração do Sódio Concentração do Potássio Baixa Elevada
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71 Transporte activo- Transporte mediado Neste processo, as proteínas transportadoras localizadas na membrana plasmática, mediante a utilização de energia (resultante da hidrólise do ATP), transportam essas substâncias, contrariando as leis da difusão, ou seja, do local onde a concentração é mais baixa para o local onde a concentração é mais elevada. Nesta situação, as proteínas transportadoras comportam-se como enzimas sendo designadas por ATPases (bombas). A bomba de sódio e potássio é um dos exemplos mais estudados de transporte activo. Neste caso, a mesma ATPase promove a movimentação do Na + e do K +, através da membrana, contra um gradiente de concentração.
72 Funcionamento da bomba de sódio e potássio Através da hidrólise do ATP em ADP e Pi, a bomba de sódio e potássio promove a saída de três iões Na+ e a entrada de dois iões K+, assegurando assim a diferença de concentrações entre os meios intra e extracelular.
73 O transporte activo é, pois, um processo de transporte: mediado Biologia Unidade 1 que se realiza com dispêndio de energia pela célula e contra o gradiente de concentração. No transporte activo, ao contrário do que acontece na difusão facilitada, as mudanças de forma nas proteínas Transportadoras relacionam-se com a mobilização de energia celular, resultante da hidrólise do ATP. Transportes Não mediados: osmose difusão simples Mediados: difusão facilitada transporte activo
74 1. Em que sentido se processa o transporte activo? Do meio onde a concentração da substância é menor para o meio onde a concentração da onde a sua concentração é maior, ou seja contra o gradiente de concentração. 2. Relacione o sentido de transporte activo com o facto de dispender energia. Há dispêndio de energia devido o transporte activo fazer-se contra o gradiente de concentração e também devido às mudanças de forma das proteínas transportadoras.
75 Transporte transmembranar Pode ocorrer por Transporte não mediado é Difusão simples no caso da água Transporte mediado intervêm pode ser Permeases Transporte activo Difusão facilitada Transporte em quantidade pode ser Endocitose Exocitose por exemplo Osmose Fagocitose Pinocitose
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