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UNI - Sistema respiratório
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Introdução
Processo
respiratório
As células obtêm energia necessária à manutenção do metabolismo por meio da respiração celular, no qual moléculas orgânicas de alimento reagem com moléculas de gás oxigênio (O2), produzindo moléculas e água e de gás carbônico (CO2), além de energia.
A tomada de oxigênio e a remoção de gás carbônico, ou seja, as trocas gasosas efetuadas pelos animais caracterizam o que se conhece por respiração.
O local do corpo do animal onde ocorrem as trocas gasosas com o meio é chamado de superfície respiratória. Gás oxigênio do meio se difunde através das membranas das células que reveste a superfície respiratória, sendo daí distribuído para todas as células do corpo; o gás carbônico faz o caminho inverso.
Trocas gasosas
Organismos de pequeno porte
Nos organismos de pequeno porte e/ou com atividade metabólica menor, que vivem em ambiente aquático, as trocas gasosas não constituem problema. Elas simplesmente ocorrem pela superfície do corpo, por simples difusão. É o que acontece com a única célula dos protozoários e com os invertebrados como esponjas, cnidários, platelmintos e nematelmintos.
Trocas gasosas
Trocas gasosas
Organismos de grande porte
Grande porte
Nos animais de organização mais complexa, a distância entre as células mais internas e o meio aumenta, o que constitui um fator limitante da difusão de gases. Nesse caso diversas adaptações, como órgãos respiratórios (pele, traqueias, brânquias e pulmões), facilitam a ocorrência de trocas gasosas. Neles uma característica básica é mantida: as trocas gasosas continuam se realizando por simples difusão, através de superfícies finas, úmidas e permeáveis. Os gases precisam estar em solução na água para entrar ou sair das células.
Respiração cutânea
Respiração cutânea
É a troca de gases respiratórios que ocorre por toda a superfície do corpo que ocorre em animais geralmente pequenos e possuem corpo cilíndrico ou achatado. Sua pele é ricamente vascularizada (capilares sanguíneos), ampliando a troca de gases.
A respiração cutânea pode estar presente tanto em animais aquáticos (poríferos, celenterados e platelmintos aquáticos) como em animais terrestres (platelmintos terrestres, minhocas e anfíbios). O ambiente úmido é fundamental para a respiração cutânea ocorrer, uma vez que a superfície do corpo deve estar umedecida para permitir a difusão dos gases. Nos anfíbios a respiração cutânea complementa a respiração pulmonar.
Respiração branquial
Respiração branquial
As brânquias dos peixes ósseos são projeções laterais da faringe, localizadas em uma câmera branquial. Cada brânquia é constituída por delicados filamentos branquiais, formados por várias lamelas, ricamente vascularizadas. Através dessa rede capilar, de paredes extremamente finas, dá-se a troca de gases do sangue.
O fluxo de sangue em cada lamela segue em direção o posta à direção da água que a banha, garantindo a perfeita oxigenação e liberação do gás carbônico.
Respiração traqueal
Respiração traqueal
Diversos artrópodes terrestres, tais como insetos, quilópodos, diplópodos, alguns carrapatos e algumas aranhas, respiram por meio de traqueias.
As traqueias dos insetos são finíssimos túbulos condutores. Originam-se de minúsculos orifícios, os espiráculos, localizados nas regiões laterais do tórax e abdômen e terminam nas células. As contrações da musculatura corporal funcionam como fole, bombeando e expulsando ar dos túbulos. Dessa forma o ar entra com oxigênio e sai com gás carbônico.
As traqueias estão diretamente em contato com os tecidos. Isso quer dizer que, nos insetos, o sistema respiratório funciona independentemente do sistema circulatório.
Respiração pulmonar
Respiração pulmonar
Diversos animais terrestres, tais como caracóis, algumas aranhas, escorpiões e vertebrados, respiram por meio de pulmões.
Estes são bolsas de ar localizadas no interior do corpo. O gás oxigênio presente no ar que penetra nos pulmões difunde-se para o sangue ou para a hemolinfa, distribuindo-se pela circulação.
Caracóis, aranhas e escorpiões não apresentam nenhum mecanismo especial para forçar a entrada e saída de ar dos pulmões; a renovação de gases ocorre por simples difusão. Já os vertebrados dispõem de mecanismo de ventilação pulmonar que garantem a constante renovação do ar nos pulmões.
Mecanismos de troca de gases
Mecanismos de troca gasosa
As trocas gasosas entre o meio e as superfícies respiratórias ocorrem por meio da difusão. Em linhas gerais, difusão é o movimento de partículas de uma região, em que elas estão em maior concentração, para outra em que estão em menor concentração.
Para que o gás oxigênio possa se difundir da água para as brânquias, por exemplo, é preciso haver concentração mais elevada do gás na água que no sangue que circula nas brânquias. Por outro lado, para que o gás carbônico difunda-se das brânquias para a água circundante é necessário que a concentração desse gás seja mais elevada no sangue que no meio circundante.
Concentrações
Concentrações e trocas
A concentração de um determinado gás, seja no ar ou na água, é expressa em termos de sua pressão parcial. O ar que inspiramos tem PO2 = 160 mmHg e PCO2 = 0,23 mmHg. No interior dos pulmões o ar inspirado se mistura ao ar residual, passando PO2 = 104 mmHg e PCO2 = 40mmHg.
O sangue venoso chega aos capilares sanguíneos dos pulmões, com PO2 = 40 mmHg e PCO2 = 45 mmHg. Como o PO2 do ar pulmonar (104 mmHg) é maior que a do sangue dos capilares pulmonares (40 mmHg), ocorre difusão de gás oxigênio do ar pulmonar para o sangue. Por outro lado, como a PCO2 do sangue dos capilares (45 mmHg) é maior que a PO2 do ar pulmonar (40 mmHg), ocorre difusão do gás oxigênio do sangue para os pulmões. Ao passar pelos capilares dos tecidos corporais, o sangue cede o gás oxigênio obtido nos pulmões e adquire gás carbônico.
Pigmentos
Pigmentos
Muitos animais apresentam no sangue ou na hemolinfa, substâncias coloridas denominadas pigmentos respiratórios. Eles são capazes de se combinar com o gás oxigênio, aumentando sua capacidade de transporte pelo corpo. Os principais pigmentos respiratórios nos animais são a hemoglobina e a hemocianina.
Se o sangue humano não tivesse hemoglobina ele seria capaz de transportar apenas 2% do gás oxigênio de que o corpo necessita.
Hemoglobina
A hemoglobina é uma proteína constituída por quatro cadeias polipeptídicas associadas a um grupamento químico denominado grupo heme, que contém ferro. Uma molécula de hemoglobina (Hb) é capaz de se combinar com quatro moléculas de gás oxigênio, formando a oxiemoglobina.
Hb + 4 O2 Hb (O2)4
A hemoglobina está presente no sangue de todos os vertebrados, alojada no interior das hemácias. Alguns invertebrados como certas espécies de anelídeos, de nematelmintos, de moluscos e de artrópodos, possuem hemoglobina dissolvida na hemolinfa.
Hemocianina
A hemocianina é uma proteína que contém átomos de cobre em sua composição. É encontrada em muitas espécies de moluscos e de artrópodes dissolvida na hemolinfa. Quando combinadas com moléculas de gás oxigênio, a hemocianina se torna azulada. Em sua forma livre, entretanto, ela é incolor.
Transporte de CO2
Transporte de CO2
Nos mamíferos, cerca de 5 a 7% do gás carbônico liberado pelos tecidos dissolvem-se no plasma sanguíneo e assim é transportado até os pulmões. Outros 23% se associam a grupos amina da hemoglobina e de proteínas do sangue, sendo por elas transportados.
A maior parte do gás carbônico (cerca de 70%) penetra nas hemácias e é transformado, por ação da enzima anidrase carbônica, em ác. carbônico, que se dissocia nos íons H+ e bicarbonato.
CO2 + H2O --------> H2CO3 --------> H+ + HCO3
Os íons H+ se associam a moléculas de hemoglobina e de outras proteínas, enquanto os íons bicarbonato se difundem para o plasma sanguíneo, onde auxiliam na manutenção da acidez do sangue.
Um processo inverso ao dos capilares dos tecidos acontece nos pulmões. As moléculas de CO2 e os íons H+ se dissociam das proteínas. No interior das hemácias os íons H+ se combinam ao bicarbonato, reconstituindo o ácido carbônico. Este por ação da enzima anidrase carbônica é decomposto em CO2 e água.
Controle respiratório
Controle respiratório
O que acontece a uma pessoa se ela segurar a respiração voluntariamente por algum tempo?
Imediatamente, um comando localizado no bulbo, envia mensagem aos músculos respiratórios, fazendo com que se contraiam. Esse centro de comando, o centro respiratório bulbar, é sensível ao aumento de CO2 no sangue e diminuição do pH sanguíneo pelo do acúmulo desse gás.
O CO2 em solução aquosa forma H2CO3, ácido carbônico, que se ioniza em H+ e H2CO3-. O aumento da acidez e o próprio CO2 no plasma estimulam os neurônios do centro respiratório.
Consequentemente, impulsos nervosos seguem pelo nervo que inerva o diafragma e a musculatura intercostal, promovendo a sua contração e a realização involuntária dos movimentos respiratórios.
De início, ocorre uma hiperventilação, ou seja, o ritmo dos movimentos respiratórios aumenta na tentativa de expulsar o excesso de gás carbônico. Lentamente, porém, a situação se normaliza e a respiração volta aos níveis habituais.
Exercícios
Exercícios
O sistema respiratório traqueal, encontrado em artrópodes terrestres.
1 - Os animais obtêm energia para as suas atividades vitais por meio da respiração celular, processo que consiste na realização de trocas gasosas com o ambiente. Embora seja um processo comum a todo o reino, há diferenças na respiração. Nesse contexto, responda as questões propostas a seguir.
a) Qual o sistema respiratório que não tem relação funcional com o sistema circulatório?
b) Cite dois tipos de respiração que possibilitam trocas gasosas com o ambiente aquático.
c) Cite dois tipos de respiração que possibilitam trocas gasosas com o ambiente terrestre.
Respiração cutânea e respiração branquial.
Respiração traqueal e respiração pulmonar.
2 - (FGV-SP) O epitélio respiratório humano é composto por células ciliadas e pelas células caliciformes produtoras de muco. A figura ilustra tal organização histológica em um brônquio humano.
A destruição dos cílios bronquiolares, promovida pelo alcatrão presente na fumaça do cigarro, propicia
a) o impedimento da ventilação pulmonar em decorrência da obstrução da traqueia.
b) uma maior absorção da nicotina realizada pelo muco nos alvéolos.
c) a diminuição da atividade dos glóbulos brancos que atuam nos brônquios.
d) a redução da hematose, em função da destruição dos capilares.
e) a instalação de infecções respiratórias, devido à deficiência no transporte de muco.
3 - (PUC-RIO) Os pulmões dos mamíferos não possuem capacidade de movimento próprio. Assim, necessitam da movimentação de um músculo específico denominado diafragma. Identifique o mecanismo através do qual ocorre a entrada e a saída de ar dos pulmões.
a) Quando o músculo cardíaco se contrai, o volume da caixa torácica aumenta, provocando a expulsão de ar dos pulmões.
b) Quando o diafragma se contrai, o volume da caixa torácica diminui, aumentando a pressão interna pulmonar e forçando a entrada de ar nos pulmões.
c) Quando o diafragma se contrai, o volume da caixa torácica aumenta, diminuindo a pressão interna pulmonar e forçando a entrada do ar nos pulmões.
d) Quando os músculos intercostais se contraem, o volume da caixa torácica aumenta, provocando a expulsão de ar dos pulmões.
e) Quando o músculo peitoral se distende, o volume da caixa torácica diminui, promovendo a entrada do ar nos pulmões.
4 - (Cesgranrio-RJ) Nos esquemas a seguir, o aparelho respiratório humano está sendo representado e neles são localizadas suas principais estruturas, tais como: vias aéreas superiores, traquéia, brônquios, bronquíolos, bronquíolos terminais e sacos alveolares, que se encontram numerados. Sobre este desenho são feitas três afirmativas:
I. Em 4, o ar passa em direção aos pulmões após ter sido aquecido em 1.
II. Em 6, o oxigênio do ar penetra nos vasos sanguíneos, sendo o fenômeno conhecido como hematose.
III. Em 8, o gás carbônico proveniente do sangue passa para o ar.
Assinale:
a) se somente I for correta.
b) se somente II for correta.
c) se somente I e II forem corretas.
d) se somente I e III forem corretas.
e) se I, II e III forem corretas.
5 - O gráfico a seguir representa as trocas gasosas pulmonar e cutânea que ocorrem em um sapo em diferentes temperaturas.
Pode-se concluir que:
a) as trocas gasosas pelos pulmões e pela pele são iguais independente da temperatura.
b) na temperatura mais baixa, a tomada de oxigênio é menor na pele do que nos pulmões.
c) na temperatura mais alta, o dióxido de carbono é eliminado principalmente pelos pulmões.
d) as trocas gasosas não são influenciadas pela variação de temperatura ambiente.
e) para a troca de dióxido de carbono, a pele é mais importante em todas as temperaturas.