Exercícios: As estruturas da nutrição

Enumera os quatro processos da nutrição animal e resume numa frase a função de cada um, indicando o que aconteceria a uma célula se algum deles falhasse.

Ordena o trajeto seguido pelos alimentos ao longo do tubo digestivo humano, desde a boca até ao ânus, referindo todos os órgãos atravessados.

Distingue digestão mecânica de digestão química, e dá um exemplo de cada uma na boca e outro no estômago.

Nomeia as glândulas anexas do aparelho digestivo humano (glândulas salivares, fígado e pâncreas) e indica que substância cada uma liberta para o tubo digestivo e qual a sua função.

Explica as duas funções do estômago (mecânica e química) e justifica por que razão o seu suco gástrico ácido não digere a própria parede gástrica (camada de muco, renovação celular contínua).

Indica em que troço do tubo digestivo ocorre a absorção da maioria dos nutrientes e descreve as adaptações anatómicas que aumentam a sua superfície útil (comprimento, pregas, vilosidades e microvilosidades).

Distingue ventilação pulmonar, trocas gasosas (hematose pulmonar e tecidular) e respiração celular, indicando onde ocorre cada processo e que papel desempenha o sangue na ligação entre eles.

Explica a função do rim na formação da urina e que substâncias elimina, distinguindo excreção (ureia, sais minerais, água) de egestão (fezes) e justificando por que razão as fezes não constituem um produto do metabolismo celular.

Compara a respiração branquial, traqueal e pulmonar: refere em que grupo animal surge cada uma, que superfície de troca utiliza e a que meio (aquático ou terrestre) se encontra adaptada.

Explica a diferença entre um sistema circulatório aberto e um fechado, e entre uma circulação simples e uma dupla, indicando um grupo animal representativo de cada situação e uma vantagem da circulação dupla.

Observa a imagem do aparelho digestivo humano. a) Descreve o que sucede aos alimentos nas estruturas 1, 4 e 8. b) Indica que estruturas numeradas correspondem a glândulas anexas, isto é, que não integram o tubo digestivo, e o que liberta cada uma para a luz do tubo. c) Ordena, de acordo com o percurso do bolo alimentar, as estruturas 1, 3, 4, 8, 9 e 11.

Descreve o trajeto do ar desde a cavidade nasal até aos alvéolos pulmonares (faringe, laringe, traqueia, brônquios, bronquíolos) e explica que adaptações tornam o alvéolo ideal para as trocas gasosas (parede extremamente fina, rede de capilares, humidade, elevada área superficial total).

O ar inspirado contém cerca de $21\ \%$ de $\text{O}_2$ e $0{,}04\ \%$ de $\text{CO}_2$; o ar expirado contém cerca de $16\ \%$ de $\text{O}_2$ e $4\ \%$ de $\text{CO}_2$. Interpreta estes valores: o que revelam sobre a eficácia das trocas gasosas, por que motivo não se extrai a totalidade do oxigénio e por que razão a respiração boca a boca é capaz de oxigenar outra pessoa.

Descreve a circulação do sangue através da circulação pulmonar (pequena circulação) e da circulação sistémica (grande circulação) com início no ventrículo direito, identificando as cavidades cardíacas, as válvulas e os grandes vasos sanguíneos intervenientes, e explica a transformação sofrida pelo sangue nos pulmões e nos tecidos periféricos.

Compara a estrutura histológica de artérias, veias e capilares (espessura e constituição parietal, calibre, presença de válvulas) e relaciona-a com a função desempenhada e com a pressão do sangue transportado.

O fígado é o «centro metabólico» do organismo: descreve três das suas funções (armazenamento de glicogénio, síntese de ureia, produção de bílis, desintoxicação) e justifica por que razão a sua falência afeta simultaneamente a digestão, a excreção e a composição do sangue.

Uma equipa de paleontologia analisa os restos de dois mamíferos extintos de tamanho semelhante (~50 kg). A espécie A possui molares desgastados com cristas de esmalte pronunciadas (lofodontes) e um volume da cavidade abdominal que sugere um aparelho digestivo de grande capacidade; a espécie B apresenta molares com cúspides afiadas cortantes (secodontes) e uma cavidade abdominal visivelmente reduzida.

1. a) Prevê e justifica de forma comparativa o comprimento relativo do tubo digestivo e o tempo de retenção do alimento em ambas as espécies a partir das limitações químicas para degradar a celulose face às proteínas.
2. b) Se a um animal vivo com uma anatomia digestiva análoga à da espécie A for administrado um tratamento prolongado com antibióticos de largo espetro, este sofre uma perda drástica de massa corporal apesar de continuar a consumir forragem abundante. Justifica este fenómeno a nível bioquímico e fisiológico.
3. c) Por que razão a seleção natural não favoreceu um tubo digestivo hipertrofiado e com fermentação microbiana em carnívoros estritos se isso lhes permitiria extrair nutrientes dos vegetais quando as presas escasseiam?

Analisa os seguintes dois cenários fisiológicos sobre a excreção do azoto:

• Caso 1: Os girinos dos anfíbios são amoniotélicos obrigatórios, mas durante a metamorfose para adultos terrestres ativam os genes das enzimas do ciclo da ornitina e tornam-se ureotélicos.

• Caso 2: O embrião dos mamíferos placentários elimina ureia através da placenta, enquanto o embrião de aves e répteis encerra os seus resíduos azotados no interior do ovo com casca (cleidoico).

1. a) Justifica a mudança de excreção na metamorfose do anfíbio avaliando o compromisso (trade-off) entre toxicidade celular, disponibilidade hídrica do meio e custo energético em moléculas de ATP.
2. b) Prevê as consequências fisiológicas e osmóticas para o desenvolvimento de um embrião de ave se sofresse uma mutação que o impedisse de sintetizar ácido úrico e excretasse unicamente ureia dentro do ovo. Compara a sua viabilidade com a do embrião de mamífero.
3. c) Um estudante afirma: «O ácido úrico é a melhor estratégia evolutiva para qualquer animal porque permite poupar água sem nenhum custo biológico». Rebate esta afirmação com argumentos termodinâmicos e metabólicos.

Administra-se a um voluntário glicose marcada com um isótopo radioativo ($^{14}\text{C}$) por via oral e fá-lo inalar ar enriquecido com oxigénio pesado ($^{18}\text{O}$). Durante uma sessão de exercício muscular intenso nos braços, analisa-se o metabolismo dos seus tecidos.

1. a) Traça cronologicamente o trajeto da glicose radioativa desde o lúmen do intestino delgado até ao sarcoplasma de uma fibra muscular do bíceps, especificando os quatro aparelhos/sistemas da nutrição envolvidos, as membranas ou barreiras biológicas que atravessa e o tipo de transporte que utiliza.
2. b) Um colega afirma: «O $\text{CO}_2$ que o desportista expulsa pelos pulmões contém diretamente o $^{18}\text{O}$ inalado, e o azoto do catabolismo das proteínas musculares converte-se em ureia dentro do próprio músculo antes de passar para o sangue». Rebate ambas as afirmações justificando o destino bioquímico do $^{18}\text{O}$ na cadeia respiratória e o papel do ciclo glicose-alanina e do fígado na excreção azotada.
3. c) Prevê que alterações homeostáticas ocorreriam no pH e na composição sanguínea se se produzisse uma falha transitória da perfusão renal durante o esforço, e que mecanismo respiratório compensador se ativará de forma imediata.

Em 1984, Barry Marshall desafiou o paradigma médico de que «nenhuma bactéria pode colonizar o estômago humano» ingerindo uma cultura de Helicobacter pylori.

1. a) Num laboratório inocula-se H. pylori em dois meios a $\text{pH} = 2,0$: Meio 1 (caldo nutritivo habitual) e Meio 2 (caldo nutritivo suplementado com ureia a 0,5 %). As bactérias morrem rapidamente no Meio 1, mas proliferam no Meio 2, elevando localmente o pH em redor das colónias e libertando amónio ($\text{NH}_4^+$). Interpreta esta experiência explicando o mecanismo adaptativo da bactéria e o dano químico direto que provoca sobre a barreira mucosa do epitélio gástrico.
2. b) Um doente com úlcera gástrica toma durante um mês inibidores da bomba de protões (antiácidos). A sintomatologia desaparece por completo, mas um mês após a suspensão da medicação a úlcera reaparece com maior gravidade. Justifica por que razão este tratamento sintomático não é curativo e por que razão é necessária uma terapêutica combinada com antibióticos a nível tecidular e populacional bacteriano.
3. c) Avalia a autoexperiência de Marshall aplicando os postulados de Koch: indica quais chegou a cumprir na sua própria pessoa e assinala que limitações metodológicas e éticas apresenta este procedimento em relação a um ensaio clínico moderno.

Avalia-se a função cardiorrespiratória de duas pessoas de 60 anos com a mesma massa corporal:

• Indivíduo A (não fumador): Capacidade pulmonar total normal, volume expiratório forçado no primeiro segundo ($\text{FEV}_1$) de 3,4 L e hematócrito de 44 %.

• Indivíduo B (fumador de 25 cigarros/dia durante 35 anos): Pulmões hiperinsuflados, $\text{FEV}_1$ de 1,1 L, capacidade de difusão alveolar de monóxido de carbono ($\text{DLCO}$) reduzida a 45 % do valor teórico e hematócrito de 55 %.

1. a) Aplica a lei de Fick sobre a difusão de gases através das membranas biológicas para justificar por que razão a rotura dos septos interalveolares (enfisema) e a perda de elasticidade pulmonar provocam o colapso da $\text{DLCO}$ e dispneia grave ao realizar um esforço moderado.
2. b) Justifica a nível fisiológico por que razão o Indivíduo B apresenta poliglobulia (hematócrito de 55 %), relacionando a alteração na troca de gases com a resposta endócrina renal.
3. c) Um produto comercial garante «regenerar as paredes alveolares e limpar a elastina destruída em fumadores em apenas três meses». Rebate esta afirmação com argumentos histológicos sobre a capacidade mitótica e de regeneração do parênquima alveolar.

Um doente apresenta em repouso valores sustentados de pressão arterial de $160/105\ \text{mm Hg}$. As suas análises mostram uma taxa de filtração glomerular diminuída e microalbuminúria (perda de proteínas na urina), juntamente com hipertrofia concêntrica do ventrículo esquerdo no ecocardiograma.

1. a) Justifica o que reflete biofisicamente cada valor ($160\ \text{mm Hg}$ sistólica e $105\ \text{mm Hg}$ diastólica) em função do débito sistólico cardíaco, da elasticidade das grandes artérias e da resistência vascular periférica oferecida pelas arteríolas.
2. b) Explica o círculo vicioso que se estabelece entre a hipertensão arterial, o dano na microvasculatura renal e a ativação desregulada do sistema renina-angiotensina-aldosterona, deduzindo como é que isto afeta a volemia e a pressão sanguínea.
3. c) Justifica por que razão o ventrículo esquerdo se hipertrofia perante uma hipertensão crónica enquanto o ventrículo direito costuma manter inicialmente a sua espessura original, e prevê por que razão o dano vascular silencioso aumenta o risco de AVC e rotura de capilares.

Um doente com doença renal crónica avançada realiza hemodiálise. Na máquina, o seu sangue circula em contracorrente separado por uma membrana semipermeável de um líquido de diálise formulado com: concentração de ureia = $0\ \text{mmol/L}$, $\text{K}^+ = 2,0\ \text{mmol/L}$ (face aos $5,8\ \text{mmol/L}$ do plasma do doente), glicose = $5,5\ \text{mmol/L}$ e bicarbonato = $35\ \text{mmol/L}$.

1. a) Explica mediante gradientes de concentração e processos de transporte passivo por que razão o dialisado deve ter exatamente essas concentrações relativas de solutos, e prevê que catástrofe celular ocorreria se o líquido de diálise fosse substituído acidentalmente por água destilada pura.
2. b) Embora a diálise normalize semanalmente as toxinas azotadas e os eletrólitos, o doente manifesta anemia grave e calcificações anómalas nos vasos associadas a descalcificação óssea (osteodistrofia). Justifica por que razão a diálise mecânica é incapaz de reverter estes dois problemas, indicando que funções endócrinas do nefrónio são anuladas.
3. c) Compara a hemodiálise e o transplante renal avaliando as vantagens hemodinâmicas e endócrinas do rim enxertado face ao compromisso que representam os fármacos imunossupressores para evitar a rejeição.

Durante uma prova em passadeira ergométrica monitorizam-se os parâmetros cardiovasculares de uma atleta, observando-se as seguintes alterações entre o estado de repouso e o exercício extenuante:

• O débito cardíaco passa de $5,0\ \text{L/min}$ a $24,0\ \text{L/min}$.

• A percentagem do fluxo sanguíneo dirigido ao músculo esquelético sobe de 20 % para 84 %.

• A irrigação do território esplâncnico (estômago e intestinos) desce de 24 % para 2,5 %.

• A concentração plasmática de lactato aumenta de $1,1\ \text{mmol/L}$ para $12,5\ \text{mmol/L}$.

1. a) Explica mediante que mecanismos de controlo autónomo simpático e autorregulação metabólica local por metabolitos tecidulares se consegue coordenar simultaneamente a vasoconstrição visceral e a vasodilatação no músculo ativo.
2. b) Se a atleta tivesse ingerido uma refeição farta rica em lípidos e proteínas uma hora antes da prova, prevê que conflito hemodinâmico de distribuição sanguínea se originaria e que consequências teria tanto no seu rendimento como a nível digestivo.
3. c) Ao terminar a corrida de forma brusca, a ventilação e o consumo de oxigénio mantêm-se muito acima dos valores basais durante mais de 15 minutos (dívida de oxigénio ou EPOC). Justifica bioquimicamente a que processos metabólicos e celulares no fígado e no músculo se destina esse consumo adicional de $\text{O}_2$.

Desafio do tema. Concebe um relatório comparativo sobre a resposta fisiológica e estrutural ao esforço no reino animal.

1. Obtenção de dados: Consulta no site do IPMA a temperatura atual do teu concelho. De seguida, mede a tua frequência cardíaca ($f_c$) e a tua frequência respiratória ($f_r$) em repouso e logo após subir escadas em passo acelerado durante $1,5$ minutos.

2. Integração humana: Elabora uma tabela com os teus dados e justifica como é que os teus sistemas (digestivo, respiratório, circulatório e excretor) coordenam o aporte de nutrientes e $O_2$ aos tecidos, bem como a termorregulação e a eliminação de resíduos metabólicos durante o exercício.

3. Fisiologia comparada: Escolhe um invertebrado (por exemplo, um gafanhoto) e redige uma proposta fundamentada explicando como as suas estruturas de nutrição (tubo digestivo, traqueias, sistema circulatório aberto e tubos de Malpighi) resolveriam metabolicamente esse mesmo aumento de atividade à temperatura ambiente registada.

Produto final: Relatório breve (máximo duas páginas) com tabela de dados próprios e análise funcional comparativa.

Avaliar-se-á:

• Precisão na recolha, tabulação e interpretação dos dados fisiológicos e meteorológicos.

• Rigor ao explicar a ação coordenada dos quatro sistemas de nutrição em humanos face ao esforço.

• Coerência científica ao comparar as estruturas homólogas e análogas entre vertebrados e invertebrados.