Respiração, Ambiente Interno, Coordenação e Tecnologia Genética

Correr atrás de um ônibus e seu corpo executa uma sinfonia: músculos queimam glicose mais rápido, o coração dobra sua produção, a ventilação aumenta, o suor começa e os rins reajustam a recuperação de água — tudo controlado sem pensamento consciente. Esta unidade segue essa maquinaria: respiração em escala molecular, músculos e coração em escala tecidual, nervos e hormônios como controladores, e tecnologia gênica como janela moderna sobre isso.

WBI15 Respiração, Ambiente Interno, Coordenação e Tecnologia Gênica é a segunda unidade IA2: 1 hora 45 minutos, 90 pontos. Avalia o Tema 7 (Respiração, Músculos e Ambiente Interno) e o Tema 8 (Coordenação, Resposta e Tecnologia Gênica), e uma questão 20-pontos é baseada em um artigo científico pré-lançado — você o estudará com antecedência.

A respiração libera energia em etapas, cada uma catalisada por uma enzima específica. Resumo da respiração aeróbica:

*Cada volta remove dois carbonos como CO₂ e carrega as coenzimas com hidrogênio; o oxaloacetato é reconstruído para iniciar a próxima volta

*Elétrons fluem pelos transportadores e bombeiam H⁺ para fora; H⁺ fluindo de volta pela ATP sintase faz ATP; oxigênio aceita os elétrons no final

A mesma máquina que no cloroplasto. Em ambas as organelas, uma cadeia de transporte de elétrons bombeia H⁺ através de uma membrana, e H⁺ retorna pela ATP sintase (quimiosmose). As diferenças: na mitocôndria, os elétrons vêm do NADH e FAD reduzidos, e o oxigênio é o aceptor final; no cloroplasto, vêm da água, e o NADP⁺ é o aceptor final.

Erros comuns.

• Dizer que o ciclo de Krebs produz a maior parte do ATP. Produz apenas 2 por glicose diretamente; seu trabalho é carregar NAD e FAD, que alimentam a cadeia.
• Dizer que o oxigênio é necessário "para fazer CO₂". O CO₂ vem da descarboxilação na reação de ligação e no ciclo de Krebs. Oxigênio aceita elétrons no final da cadeia.
• Dizer que a glicólise ocorre na mitocôndria. Ocorre no citoplasma.
• Esquecer que o ciclo dá duas voltas por glicose, então todas as figuras para uma volta dobram.

Verificação trabalhada. Os livros por glicose: glicólise líquida de 2 ATP (4 produzidos, 2 gastos) e 2 NAD reduzido; a reação de ligação ocorre DUAS VEZES (uma por piruvato), adicionando 2 NAD reduzido; Krebs gira duas vezes, adicionando 2 ATP, 6 NAD reduzido e 2 FAD reduzido. Totais: 4 ATP produzido diretamente, 10 NAD reduzido e 2 FAD reduzido alimentando as cristas — aproximadamente 30 ATP por glicose no total. O exame quer a contabilidade (qual etapa enviou cada coenzima) mais que o número final; anaeróbico colapsa a conta para o líquido da glicólise 2, porque a cadeia parada para de reciclar o NAD.

Condições anaeróbias param a cadeia — o NAD reduzido não pode ser reciclado — então o piruvato aceita seu hidrogênio e torna-se lactato nos músculos. Após o exercício, o lactato é transportado para o fígado e reconstruído em glicose (necessitando oxigênio: a dívida de oxigênio).

Quociente respiratório: $\mathrm{RQ} = \mathrm{CO_2}\ \text{produced} / \mathrm{O_2}\ \text{consumed}$. Carboidrato 1.0, proteína 0.9, lipídio ≈ 0.7 — o QR de um organismo revela o que ele está consumindo.

Worked check. A respirometer shows 60 cm³ CO₂ produced and 60 cm³ O₂ consumed in the same interval: RQ = 1.0 — carbohydrate. A germinating seed with RQ 0.7 is burning lipid reserves.

Um tendão une músculo a osso; um ligamento une osso a osso através de uma articulação; músculos funcionam em pares antagonistas. Uma fibra muscular esquelética é uma célula fundida, multinucleada, repleta de miofibrilas de actina e miosina.

A contração é o ciclo do filamento deslizante: um potencial de ação libera Ca²⁺; o cálcio expõe os sítios de ligação da actina; a cabeça da miosina energizada (seu ATP dividido) se liga, puxa a actina e se solta quando novo ATP se liga — milhares de cabeças por segundo, cada traço alguns nanômetros.

Fibras de contração rápida: grossas, poucas mitocôndrias, rápidas e poderosas, cansam rápido (corrida curta). Lentas: muitas mitocôndrias, rica vascularização, mioglobina — resistência.

O músculo cardíaco é miogênico: bate sem estímulo nervoso. O nó sinoatrial define o ritmo; a onda se espalha pelos átrios até o nó atrioventricular, depois pelas fibras de Purkinje aos ventrículos — os átrios contraem primeiro, os ventrículos um pouco depois.

O centro de controle cardiovascular e o centro da ventilação na medula oblonga ajustam ambos os sistemas à demanda: receptores químicos detectam CO₂ e pH, barorreceptores detectam pressão.

Exemplo resolvido. Em repouso: 70 cm³ × 72 min⁻¹ ≈ 5.0 dm³ min⁻¹. Durante exercício: 120 cm³ × 150 min⁻¹ = 18 dm³ min⁻¹ — a tabela que a prova adora. A ventilação aumenta em proporção, lida nos traçados do espirometro (volume corrente × frequência respiratória = ventilação minuto).

Homeostase mantém o ambiente interno em equilíbrio dinâmico — não imobilidade, mas variáveis oscilando dentro de limites estreitos. Feedback negativo corrige desvios em qualquer direção (padrão de termostato); feedback positivo amplifica-os (loop autorreforçante, como canais de sódio dependentes de voltagem abertos durante potencial de ação).

A termorregulação ocorre no hipotálamo: perda de calor por vasodilatação e sudorese; conservação de calor por vasoconstrição, tremores e ereção dos pêlos. A adrenalina prepara a resposta de luta ou fuga — frequência cardíaca, glicose sanguínea e vias aéreas respondem juntas.

O sangue entra na glomérulo do néfron sob alta pressão — a artéria aferente é mais larga que a eferente — e moléculas pequenas são forçadas através dos podócitos e da membrana basal para a cápsula de Bowman (ultrafiltração: tudo exceto células e proteínas grandes). O túbulo contornado proximal reabsorve toda a glicose e aminoácidos, além da maioria dos sais e água (transporte ativo seguido de osmose). O alça de Henle cria um gradiente de potencial de água na medula por multiplicação contracorrente. O túbulo coletor toma a decisão final: ADH é produzido no hipotálamo e liberado pela hipófise posterior; promove inserção de aquaporinas para mais reabsorção de água — urina concentrada quando desidratado, diluída quando não.

*O filtrado é concentrado ao longo do segmento descendente e diluído ao longo do segmento ascendente; apenas no ducto coletor, e apenas com ADH, ele perde água para dar urina concentrada

Leia o gráfico na ordem. No TCP, o potencial hídrico do filtrado não muda, porque a água segue os solutos reabsorvidos por osmose. O segmento descendente é permeável à água, então a água sai para a medula salgada. O segmento ascendente bombeia Na⁺ e Cl⁻ para fora, mas é impermeável à água, então até o TCD, o filtrado está mais diluído que o plasma. Se permanece diluído depende da ADH no ducto coletor.

Excesso de aminoácidos é desaminado no fígado; a amônia tóxica torna-se ureia para excreção.

Exemplo resolvido. ADH presente → paredes do túbulo coletor permeáveis → água sai pelo gradiente para o sangue medular → volume pequeno, urina concentrada. O álcool suprime a ADH — volume grande, urina diluída.

Um fator de transcrição liga-se ao promotor de um gene e ativa ou desativa a transcrição. Hormônios esteroides entram nas células-alvo e ligam-se a proteínas receptoras intracelulares. Os receptores ativados podem atuar como fatores de transcrição; a própria molécula hormonal não se liga ao DNA como fator de transcrição. Epigenética refere-se a mudanças na atividade gênica sem alterar a sequência de bases do DNA. A metilação do DNA no promotor pode reduzir a transcrição. A acetilação de histonas geralmente torna a cromatina mais acessível, enquanto a desacetilação pode torná-la menos acessível. A metilação em um promotor supressor de tumor pode reduzir a expressão de genes protetores. Erros de imprinting podem disrupting o desenvolvimento, incluindo alguns casos da síndrome de Prader–Willi.

O neurônio em repouso bombeia Na⁺ para fora e K⁺ para dentro (a bomba sódio-potássio), mantendo o interior em cerca de −70 mV. Um estímulo acima do limiar (cerca de −55 mV) abre canais de sódio: um potencial de ação tudo-ou-nada dispara até +30 mV, depois canais de potássio repolarizam; o período refratário impede a propagação reversa e define uma frequência máxima.

Em neurônios mielinizados o impulso salta de nó a nó (condução saltatória) — muito mais rápido. Na sinapse, a entrada de cálcio desencadeia vesículas de neurotransmissor a fundirem-se com a membrana pré-sináptica; o transmissor difunde e liga-se a receptores pós-sinápticos; enzimas limparam então o espaço. Drogas agem aqui: SSRIs bloqueiam a recaptação de serotonina, assim o sinal persiste; lidocaína bloqueia canais de sódio; ecstasy (MDMA) inunda o espaço com serotonina e depois a esgota.

O sistema nervoso divide-se: SNC (cérebro, medula espinhal) e SNP — somático (voluntário) e autônomo (involuntário; simpático acelera, parassimpático calma). Receptores são transdutores: bastonetes (luz fraca, muitos por célula bipolar — sensibilidade), cones (cor, um-para-um — acuidade), além de termorreceptores, quimiorreceptores, barorreceptores, nociceptores (dor). O arco reflexo espinhal passa sensorial → intercalar → motora na substância cinzenta da medula — rápido, involuntário, protetor. Habitação é uma resposta decrescente a um estímulo repetido inofensivo.

A fitocromo alterna entre Pr (absorve vermelho) e Pfr (absorve infravermelho longe); o viés vermelho da luz solar deixa o Pfr dominante, controlando germinação e floração pelo comprimento de dia. A auxina alonga células acidificando paredes; as giberelinas induzem enzimas (amilase na camada aleurônica) que mobilizam amido na germinação.

Marcos e funções: hemisférios cerebrais (voluntário, pensamento), cerebelo (coordenação, equilíbrio), hipotálamo e hipófise abaixo deles (homeostase, hormônios), bulbo raquidiano (coração, respiração). RM mostra estrutura; fMRI mostra atividade via fluxo sanguíneo oxigenado; TC tomografias estruturais rápidas; PET metabolismo com traçadores radioativos.

Química primeiro: a doença de Parkinson é um déficit de dopamina — tratada com L-Dopa, que atravessa a barreira hematoencefálica e é convertida em dopamina no cérebro. Baixa serotonina está ligada à depressão — alvo dos inibidores seletivos de recaptação de serotonina.

DNA recombinante: uma enzima de restrição corta o DNA em sua sequência de reconhecimento, deixando extremidades coesivas; o gene humano (feito sem íntrons a partir de ARNm) é ligado a um plasmídeo com ligase de DNA; o plasmídeo transforma bactérias hospedeiras; genes marcadores (resistência a antibióticos ou fluorescência) selecionam as células que o incorporaram. Escala-se em um fermentador e as bactérias secretam insulina humana — mais limpa e segura do que extrair de porcos. Animais transgênicos produzem proteínas humanas no leite; riscos e benefícios de culturas geneticamente modificadas (resistência, rendimentos versus fluxo gênico para parentes silvestres) são a avaliação padrão.

Microarranjos identificam genes ativos: a amostra de ARNm hibridiza com sondas complementares no chip; pontos fluorescentes marcam genes sendo transcritos. Bioinformática compara sequências entre espécies e indivíduos — como a relatedade é agora medida.

1. Nomeie a etapa da respiração que ocorre na matriz mitocondrial e uma de suas entradas.
2. Os músculos de um corredor produzem lactato. Explique por quê e o que acontece com o lactato depois.
3. As cabeças de miosina não podem se descolar sem ATP. Explique o que isso significa para os músculos após a morte.
4. Calcule o débito cardíaco para volume sistólico 85 cm³ e frequência cardíaca 140 min⁻¹.
5. Explique por que a artéria aferente é mais larga que a artéria eferente.
6. Cite duas diferenças entre retroalimentação negativa e positiva, com um exemplo de cada.
7. Por que a mielinização aumenta a velocidade de condução?
8. O limiar de um axônio é −55 mV. Um estímulo o leva a −60 mV. O que acontece e por quê?
9. A luz vermelha converte fitocromo em qual forma?
10. Explique por que a L-Dopa é administrada em vez de dopamina diretamente.
11. Um ponto de microarranjo fluoresce intensamente. O que isso indica?
12. Por que o gene da insulina humana deve ser feito a partir de ARNm em vez de DNA genômico ao inserir em bactérias?

Respostas: 1 a reação de ligação (ou ciclo de Krebs) — entrada piruvato (ou acetila); 2 oxigênio escasseia, então o NAD reduzido é reciclado reduzindo piruvato a lactato; depois a lactato vai ao fígado e é convertida novamente em glicose, usando oxigênio; 3 sem ATP, a miosina permanece ligada à actina — rigidez cadavérica; 4 $85 \times 140 = 11\,900\ \text{cm}^3\,\text{min}^{-1} = 11.9\ \text{dm}^3\,\text{min}^{-1}$; 5 a diferença de pressão impulsiona ultrafiltração de plasma para a cápsula de Bowman; 6 negativo retorna uma variável para seu ponto de ajuste (termorregulação); positivo empurra-a ainda mais longe (abertura de canais de sódio durante um potencial de ação); 7 o impulso salta entre os nódulos de Ranvier em vez de despolarizar toda a membrana — menos, passos maiores; 8 nada — limiar não é atingido, então nenhum potencial de ação (tudo-ou-nada); 9 Pfr; 10 dopamina não cruza a barreira hematoencefálica, mas L-Dopa pode, e é convertida em dopamina dentro do cérebro; 11 esse gene estava sendo ativamente transcrito — seu mRNA estava presente e hibridizou; 12 bactérias não podem espalhar íntrons, então o gene deve vir de mRNA maduro que já não os possui.