20
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© Shutterstock/John Kasawa
1782
Luigi Galvani publica
o “Ensaio das forças
dos nervos na relação
com a eletricidade”, em
que demonstra a ação
da eletricidade sobre a
perna de uma rã morta.
8. Processos eletroquímicos espontâneos: pilhas e baterias
1800
Alexandre
Volta monta
a primeira
bateria
elétrica da
história.
LatinStock/SPL/GEORGE BERNARD
LatinStock/Corbis/Bettmann
Células voltaicas
ou células galvânicas: nomes que
homenageiam o físico
Alessandro Volta e
o anatomista Luigi
Galvani.
Na sociedade moderna, é difícil imaginar algum dispositivo eletrônico que funcione
sem uma pilha ou uma bateria. O funcionamento de aparelhos celulares, relógios,
câmeras fotográficas, computadores e uma infinidade de outros equipamentos são
diariamente garantidos por essas pequenas “usinas”, capazes de converter energia
química em energia elétrica. 25
Esses dispositivos, que utilizam reações químicas para produzir corrente elétrica, são
chamados de células voltaicas ou células galvânicas. Essa conversão ocorre por meio
de uma reação de oxirredução espontânea, em que a célula é construída de modo que
os elétrons produzidos, quando uma espécie química é oxidada, sejam transferidos por um
circuito elétrico para outra espécie, que é reduzida. O processo oposto, em que a energia
elétrica é convertida em energia química, é denominado eletrólise. 26
LatinStock/Akg-Images/Album
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3
8
o
r
t
e
l
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P
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s
químico
s
a
i
r
e
t
a
b
pilhas e
1801
Humphry
Davy
desenvolve
o processo
da eletrólise
ígnea e
aquosa.
21
Pilhas e baterias – são dispositivos em que uma reação espontânea de oxirredução é convertida em energia elétrica.
Eletrólise – processo não espontâneo de oxirredução, ocasionado pela passagem de corrente
elétrica, obtida por uma fonte externa de energia.
Solução
eletrolítica:
solução que
conduz corrente
elétrica.
O ramo da Química que estuda as reações que produzem corrente elétrica ou são produzidas pela
eletricidade é conhecido como Eletroquímica. O termo “eletroquímica”, criado em meados de 1810
por George John Singer (1786-1817), desenvolveu-se a partir do século XVIII. Depois de então, o conhecimento sobre a interconversão entre a energia química e a energia elétrica se apresenta como uma
poderosa ferramenta que transformou de forma definitiva o estilo de vida da humanidade. 27
Célula eletroquímica
A invenção
1807
1808
1810
Humphry
Davy separa,
pela primeira
vez, os
elementos
sódio e
potássio.
Humphry Davy
produz os
metais alcalino-terrosos pelo
processo da
eletrólise
ígnea.
George John
Singer cria
o termo
“eletroquímica”.
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LatinStock/Photoresearchers/
Science Source
29
O princípio
A primeira pilha elétrica comercial foi inventada em 1800 pelo
da célula
da célula
cientista italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio eletroquímica eletroquímica
@QUI663
@QUI424
Volta (1745-1827), por meio dos resultados das pesquisas e
investigações de Luigi Galvani (1737-1798) sobre eletricidade em animais. 28
Inicialmente, assim como Galvani, Volta acreditava que o corpo dos animais produzia um tipo especial de eletricidade. No entanto, após várias modificações e repetições nos experimentos descritos
por Galvani, Volta tentou comprovar a hipótese de que o contato entre metais distintos excitava as
contrações dos músculos dos animais, mesmo mortos. Dessa maneira, construiu um dispositivo formado
por dois metais – zinco e prata – que, na forma de discos, eram intercalados e separados por pedaços
de papelão umedecidos com solução eletrolítica. O empilhamento proposto era capaz de gerar corrente elétrica, a qual era conduzida por fios metálicos conectados às extremidades da pilha de discos
metálicos. Com essa invenção, obteve-se, pela primeira vez, uma fonte de corrente elétrica estável.
Pode-se dizer que a pilha nasceu como resultado da tentativa de Volta de produzir efeitos elétricos
diretos mais fortes, com pares metálicos.
Assim como na pilha de Volta, o químico inglês John Frederic Daniell (1790-1845), no ano de 1836, construiu uma pilha
com eletrodos de zinco e de cobre. A diferença estava nos eletrodos, que ocupavam
compartimentos separados, e na utilização
de uma ponte salina, responsável pelo
fechamento do circuito.
LatinStock/SPL/SHEILA TERRY
Eletrodos:
conjuntos formados pela placa
metálica e a sua
solução.
Ponte salina:
sistema formado
por um tubo de
vidro em U, com
extremidades
normalmente
tampadas por
um material
poroso, acoplado
à aparelhagem
da pilha. Contém
um eletrólito,
geralmente uma
solução aquosa
concentrada de
sal solúvel, como
o cloreto de potássio (KCℓ(aq)) ou
o nitrato de amônio (NH4NO3(aq)).
1812
Humphry Davy consegue
montar uma lanterna
usada em mineração
ao produzir um arco
voltaico com eletrodos
de carvão e uma pilha
de Alexandre Volta.
Química
2.a série – 4.o volume
A pilha de Daniell, como é conhecida, representa as células eletroquímicas. É constituída por
uma placa de zinco metálico (Zn(s)), mergulhada em uma solução aquosa de sulfato de zinco (ZnSO4(aq))
– ânodo –, e uma placa de cobre metálico (Cu(s)), imersa em uma solução aquosa de sulfato de cobre
(CuSO4(aq)) – cátodo. Cada um dos dois compartimentos é chamado de célula voltaica ou semicélula.
Ânodo: eletrodo
no qual ocorre
a oxidação.
Constitui o
eletrodo
negativo da
pilha.
Cátodo: eletrodo
no qual ocorre
a redução.
Constitui o
eletrodo
positivo da
pilha.
Pilha de Daniell (Zn/Cu)
Ilustrações: Divanzir Padilha. 2012. 3D.
Os dois eletrodos são unidos por um fio metálico externo em que os elétrons se movimentam do
ânodo (eletrodo negativo) para o cátodo (eletrodo positivo), ou seja, do eletrodo onde ocorre
a oxidação para o eletrodo onde ocorre a redução. No eletrodo negativo, à medida que a placa
de zinco (Zn(s)) se oxida, ela perde massa e a concentração de íons Zn2+(aq), na solução, aumenta.
No eletrodo positivo, à medida que os íons Cu2+(aq) são reduzidos a Cu(s), a placa de cobre (Cu(s))
ganha massa. Consequentemente, ocorre diminuição na concentração de íons Cu2+(aq) na solução.
Representação da pilha de
Daniell após algum tempo de
funcionamento
22
1818
Mary Shelley escreve um
romance em que o médico
Victor Frankenstein usa a
eletricidade para dar vida
a um monstro. Dessa
forma, introduz um novo
gênero, o terror.
8. Processos eletroquímicos espontâneos: pilhas e baterias
© Wikimedia Commons
LatinStock/Corbis/Heritage Images
Com o passar do tempo, o acúmulo de cargas positivas (Zn2+(aq)) provenientes da oxidação do zinco
2+
(Zn(s)) e de cargas negativas (SO2–
4(aq)), devido à redução dos íons cobre (Cu (aq)) para cobre metálico
(Cu(s)), faz com que ocorra um desequilíbrio entre os íons nas soluções, interrompendo o funcionamento
da pilha. Para evitar esse acúmulo de cargas elétricas, é adicionada ao sistema uma ponte salina – um
tubo de vidro recurvado (na forma de U), preenchido, normalmente, com material gelatinoso, contendo
elevada concentração de um sal que não interfira no processo eletroquímico. 30
1820
1825
1832
Michael Faraday
desenvolve o
primeiro processo
de produção de
NaOH(aq) e de
Cℓ2(g) em grande
escala.
Michael Faraday
isola o benzeno do
óleo de baleia, após
ser nomeado diretor
do laboratório de
eletricidade da
Royal Society.
Michael
Faraday
desenvolve
as leis da
eletrólise.
A ponte salina, além de separar fisicamente as semicélulas e conectar as soluções, permite o fluxo
contínuo de ânions e cátions, fechando o circuito interno da célula galvânica e mantendo o equilíbrio
das cargas (positivas e negativas) entre as soluções. Na pilha de Daniell, os ânions migram pela ponte
salina do eletrodo de cobre (cátodo) para o eletrodo de zinco (ânodo), e cátions migram na direção
oposta (do ânodo para o cátodo), de forma a manter a neutralidade elétrica das soluções. 31
As transformações que ocorrem na pilha de Daniell podem ser representadas pelas semirreações:
Ânodo (eletrodo negativo – oxidação)
Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e–
Cádodo (eletrodo positivo – redução)
Cu2+(aq) + 2 e– Cu(s) 32
A soma das semirreações resulta na equação iônica global da pilha representada.
Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e–
Cu2+(aq) + 2 e– Cu(s)
Semirreação de oxidação (ânodo – eletrodo negativo)
Semirreação de redução (cátodo – eletrodo positivo)
Zn(s) + Cu2+(aq)
Equação iônica global
Zn2+(aq) + Cu(s) 33
Outra maneira, comumente utilizada para representar uma célula galvânica, é mediante uma notação
simplificada, chamada de diagrama da célula. O diagrama da pilha de Daniell é:
Ponte salina
Zn(s)|Zn2+(aq) || Cu2+(aq)|Cu(s)
34
Nesse diagrama, é representada cada espécie química envolvida no processo de oxirredução. Por
convenção, o ânodo é representado à esquerda do diagrama; e o cátodo, à direita. A barra simples ( )
representa as junções ou interfases e a barra dupla ( ) indica a ponte salina. 35
Célula voltaica
simples
@QUI2450
Pilha de limão
Limão
Fios elétricos
Procedimentos
1. Fixe as lâminas de cobre e zinco no limão.
Observação: As lâminas não devem se tocar.
P. P.Imagens/Pith
Imagens/Pith
Materiais e reagentes 36
Lâmina de cobre
Lâmina de zinco
Voltímetro ou multímetro
Multímetro – aparelho utilizado
para medir a voltagem, a
corrente elétrica e a resistência
elétrica
John Daniell
monta uma
pilha em que
os eletrodos
são separados
por uma ponte
salina.
1839
Antoine César
Becquerel
(avô de Henri
Becquerel)
descobre
a célula
fotovoltaica.
LatinStock/SPL/ ROYAL
INSTITUTION OF GREAT BRITAIN
1836
LatinStock/Corbis/Bettmann
© Wikipedia Commons/ Gillard
2. Conecte a ponta de um dos fios elétricos na lâmina de zinco, e a ponta do outro fio na lâmina de cobre.
3. Conecte as extremidades livres dos fios ao voltímetro ou multímetro.
4. Verifique a passagem de corrente elétrica.
1843
William
Grove
desenvolve
a primeira
célula
combustível.
Química
2.a série – 4.o volume
23
Descarte
Os materiais que não puderem ser reaproveitados podem ser descartados no lixo comum.
Questões para discussão
1. Estabeleça as semelhanças entre o experimento realizado e a pilha de Daniell:
Assim como na pilha de Daniell, o experimento realizado é formado por uma ponte salina (limão), por um eletrodo positivo (cátodo)
e um eletrodo negativo (ânodo). Ao fechar o circuito, é gerada uma reação eletroquímica espontânea, e o potencial formado pode
ser verificado no voltímetro.
2. Identifique, no esquema a seguir, o cátodo, o ânodo, a ponte salina e o fluxo de elétrons:
Fluxo de elétrons
Cátodo
Ânodo
Ponte salina
3. Com os conhecimentos adquiridos, até então, sobre a Eletroquímica, complete de forma adequada:
espontâneo
a) Pilha é um processo de oxirredução __________________
(espontâneo/não espontâneo).
ânodo
b) Em uma célula eletroquímica, o processo de oxidação ocorre no __________________
(cátodo/ânodo),
cátodo
enquanto a redução ocorre no _________________
(cátodo/ânodo).
perda
ganho
c) Na oxidação, ocorre ______________
(perda/ganho) de elétrons. E na redução há ______________
(perda/ganho).
externo
ânodo
d) Os elétrons fluem pelo circuito ______________
(interno/externo) do ______________
(cátodo/ânodo)
cátodo
para o ______________
(cátodo/ânodo).
positivo
e) Em uma célula galvânica, o cátodo é representado como eletrodo ______________
(negativo/positivo) e o
negativo
ânodo é o eletrodo______________
(negativo/positivo).
24
Gaston
Planté monta
a primeira
bateria de
automóvel
(chumbo-ácido).
8. Processos eletroquímicos espontâneos: pilhas e baterias
1865
George
Leclanché
monta a
primeira pilha
seca, também
chamada de
pilha comum.
LatinStock/SPL/LIBRARY OF
CONGRESS
1860
© Wikipedia Commons/Gillard
LatinStock/Akg-Images/Album
iônicas
f) A principal função da ponte salina é manter o equilíbrio entre as cargas ______________
(elétricas/iônicas).
1897
Joseph John
Thomson propõe a
existência de uma
partícula de carga
negativa, que ele
chamou de elétron.
Potencial de eletrodo
Fio de Pt(s)
H2(g)
Divanzir Padilha. 2012.3D.
Força: pode ser
caracterizada
como qualquer
resultado da
interação entre
dois corpos.
Está associada
a atos, como
esfregar, puxar,
empurrar, atrair
e repelir. Muitos
estudiosos
desenvolveram
leis para definir,
classificar, medir
e representar a
grandeza força
e propuseram
a descrição dos
efeitos dessa
grandeza vetorial
(apresenta
módulo, direção
e sentido)
sobre um corpo
qualquer. 38
Em uma célula eletroquímica, os elétrons gerados no ânodo (eletrodo negativo) movem-se por meio
do circuito externo em direção ao cátodo (eletrodo positivo). Porém, para que isso ocorra, é preciso
uma força que está associada a uma diferença de potencial (ddp). Essa ddp foi medida e, inicialmente, chamada de força eletromotriz (f. e m.). No entanto, a f. e m. não é realmente uma força.
A sua unidade é o volt e o seu valor pode ser determinado por um aparelho chamado voltímetro. 37
Na pilha, a ddp ( E) depende das espécies químicas envolvidas, das suas concentrações e da
temperatura. Por esse motivo, tal diferença é medida nas condições-padrão, que correspondem a
espécie com concentração 1 mol/L e possíveis gases com pressão de 1 atm, a 25ºC. Nessas condições,
a diferença de potencial será representada por E0.
Pode-se dizer que a diferença de potencial indica a tendência de ocorrer a reação de oxirredução
entre as espécies presentes nas células eletroquímicas. Portanto, o valor da ddp está relacionado à
tendência de oxidação do agente redutor e à tendência de redução do agente oxidante.
Para comparar o potencial de cada espécie e determinar qual delas apresenta tendência a oxidar ou
a reduzir, é necessário um eletrodo de referência. O eletrodo adotado como padrão foi o de hidrogênio,
constituído por uma solução 1 mol/L de ácido, pelo qual passa um fluxo de gás hidrogênio, à pressão
constante de 1 atm e temperatura de 25ºC. Nessa semicélula, há uma lâmina de platina que estabelece
o contato entre o eletrodo e o circuito externo, sendo capaz de receber os elétrons vindos do circuito ou
enviá-los a ele. 39
Tubo de vidro contendo H2(g)
O eletrodo-padrão de
hidrogênio foi usado como
eletrodo de referência
H+(aq)
Pt(s) eletrodo
Bolhas
de H2(g)
Convencionou-se que o potencial de redução desse eletrodo é de 0,00 V, conforme indicado pela
semirreação de redução do eletrodo-padrão.
2 H+(aq) + 2 e–
H2(g)
E0(2 H+(aq)|H2(g)) = 0,00 V
Joseph John Thomson
ganha o Prêmio Nobel
de Física pelo “Estudo
da condutividade
elétrica dos gases”,
em que descobriu
o elétron.
1906
Foi fundada, em
Madison (EUA), a
empresa Raiovac
para a produção
de pilha seca.
LatinStock/SPL/LAWRENCE
BERKELEY NATIONAL LABORATORY
1906
© Creative Commons/ Dean
Johnson
Desse modo, para medir o potencial de um eletrodo, basta ligá-lo ao eletrodo-padrão de hidrogênio
em uma montagem semelhante à pilha de Daniell, de acordo com os esquemas a seguir apresentados:
1912
Gilbert Newton
Lewis desenvolve
o protótipo da
bateria de íon lítio
recarregável.
Química
2.a série – 4.o volume
25
Divanzir Padilha. 2012. 3D.
Esquema para
determinar o
potencial-padrão
dos eletrodos de
cobre e zinco
Ao associar o eletrodo-padrão ao eletrodo de cobre, por exemplo, obtém-se uma pilha cuja ddp
( E), medida pelo multímetro, é de +0,34 V. Ao comparar o potencial de cada espécie para oxidar ou
para reduzir, observa-se que a oxidação ocorre no eletrodo-padrão de hidrogênio (ânodo – eletrodo
negativo), ou seja, o gás hidrogênio (H2(g)) tem tendência a perder elétrons que são enviados, a princípio,
ao eletrodo de platina (eletrodo inerte), gerando íons H+ em solução. Os elétrons, por meio do circuito
externo, são transferidos para o eletrodo de cobre (cátodo – eletrodo positivo). Os íons cobre (Cu2+(aq)),
na solução, se reduzem a cobre metálico (Cu(s)), que será depositado na placa.
2 H+(aq) + 2 e–
Semirreação anódica:
H2(g)
Semirreação catódica:
Cu2+(aq) + 2 e–
Reação global da pilha:
Cu
2+
(aq)
Cu(s)
Cu(s) + 2 H+(aq)
+ H2(g)
Redução
Oxidação
De forma análoga, ao associar o eletrodo-padrão ao eletrodo de zinco, obtém-se uma pilha cuja
ddp ( E) medida pelo multímetro é de –0,76 V. Portanto, ao comparar o potencial de cada espécie
para oxidar ou para reduzir, observa-se que a oxidação ocorre no eletrodo de zinco (ânodo – eletrodo
negativo), ou seja, a placa de zinco (Zn(s)) tem tendência a perder elétrons que são transferidos, por
meio do fio condutor, para o eletrodo de hidrogênio (cátodo – eletrodo positivo). Os íons hidrogênio
(H+(aq)), na solução, se reduzem a gás hidrogênio (H2(g)).
Zn2+(aq) + 2 e–
Semirreação anódica:
Zn(s)
Semirreação catódica:
2 H+(aq) + 2 e–
H2(g)
Reação global da pilha:
Zn(s) + 2 H+(aq)
Zn2+(aq) + H2(g)
Oxidação
26
1920
Walther Nernst ganha o Prêmio Nobel de
Química por relacionar a Termoquímica
com a Eletroquímica. Demonstra que
a espontaneidade de uma reação está
relacionada à sua diferença de potencial (ddp).
8. Processos eletroquímicos espontâneos: pilhas e baterias
LatinStock/Photoresearchers
LatinStock/Corbis/Bettmann
Redução
1923
Robert Millikan recebe o prêmio
Nobel de Física por determinar o
conceito de carga elementar na
eletricidade.
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Potencial
de redução
(Eredução):
potencial
do eletrodo
que indica a
tendência ao
processo de
redução.
Com as interpretações dos esquemas, conclui-se que o zinco (Zn(s)) apresenta maior tendência
a ser oxidado do que o gás hidrogênio (H2(g)) que, por sua vez, oxida-se mais facilmente que o
cobre (Cu(s)).
Essa observação está de acordo com a fila de reatividade química dos metais.
Aumenta a reatividade
Li > K > Ca > Na > Mg > Aℓ > Zn > Cr > Fe > Ni > Sn > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au
Metais alcalinos e
alcalinoterrosos
Metais mais comuns no
nosso cotidiano
Metais nobres
Aumenta a nobreza
Representação simplificada da fila de reatividade dos metais
Da mesma forma, pode-se dizer que o íon cobre (Cu2+(aq)) apresenta maior tendência a reduzir do
que o íon hidrogênio (H+(aq)) que, por sua vez, reduz mais facilmente que os íons zinco (Zn2+(aq)).
Entre os eletrodos analisados, em termos de redução, conclui-se que o eletrodo de cobre
(Cu2+(aq)|Cu(s)) tem maior potencial de redução (Eredução) que o eletrodo de hidrogênio (2 H+(aq)|H2(g));
e o eletrodo de zinco (Zn2+(aq)|Zn(s)), por apresentar menor tendência em reduzir, possui o menor
potencial de redução.
Potenciais-padrão de redução
Como os potenciais-padrão de redução são determinados com base no eletrodo de hidrogênio
(eletrodo de referência), os potenciais das células eletroquímicas medidos pelo multímetro (ou
voltímetro) são valores relativos. Dessa forma, pode-se determinar os potenciais para outras
espécies químicas. 41
Por convenção, o potencial associado a cada eletrodo é escolhido como o potencial para a redução,
que ocorre naquele eletrodo. Assim, os potenciais-padrão do eletrodo são tabelados para as reações
de redução, sendo denominados potenciais-padrão de redução (E0redução).
1949
1951
Inicia-se a
produção, em
larga escala, de
pilhas alcalinas.
Inicia-se, no
Brasil, a produção
das pilhas de
Leclanché.
© Getty Images/Yale Joel/Life
Magazine/Time & Life Pictures
Fila de
reatividade
química
dos metais:
também
conhecida
como série
eletroquímica
dos metais, é
uma fila que
organiza os
elementos
em ordem
crescente
de nobreza.
Quanto maior
for a nobreza
do metal,
menor será
a sua reatividade. 40
1958
Realizado pela
primeira vez
o implante de
marca-passo.
Química
2.a série – 4.o volume
27
(UFPE) Os animais utilizam-se dos músculos
para movimentar o corpo ou partes dele. É graças à atividade muscular que conseguem andar,
nadar, correr, etc. Sobre este assunto, observe a
figura adiante e analise as proposições a seguir:
2
Osso
Tendão
3
Sarcômero relaxado
5
1
Músculo
4
Sarcômero contraído
6
1. As fibras musculares (miócitos) esqueléticas
apresentam em seu citoplasma finíssimas fibras contrácteis, as miofibrilas (1).
2. Cada miofibrila é formada por uma sequência linear de miômeros (2).
3. Cada miômero é constituído por filamentos
proteicos de actina (4) e miosina (3).
4. A presença de íons cálcio (Ca+2) no líquido
intracelular é uma condição necessária para
que ocorra a contração dos miômeros (6).
5. No relaxamento dos miômeros (5), não há
gasto de ATP.
Está(ão) correta(s) apenas:
a) 1 e 2
b) 3
c) 4
d) 3 e 4
X e) 1, 2 e 4
Como os músculos trabalham em conjunto
PARKER, Steve. O livro do corpo humano.
São Paulo: Ciranda Cultural, 2007, p. 63. 9
38
11. Tecidos musculares e tecido nervoso
actina
actina
Tríceps relaxado
miosina
actina
actina
Bíceps contraído
miosina
Quando ocorre a flexão do cotovelo, o principal agonista é o
músculo bíceps, que se contrai. Seu antagonista é o músculo
tríceps, que sofre relaxamento
Luis Moura. 2011. Digital.
Os músculos só podem puxar, não
empurrar, por isso são dispostos em pares
que atuam em oposição entre si. O movimento produzido por um músculo pode
ser revertido pelo seu par opositor. Quando um músculo se contrai para produzir
movimento, ele é denominado agonista,
enquanto seu par opositor, o antagonista,
relaxa-se e é passivamente esticado. Na
realidade, poucos movimentos são realizados por uma única contração muscular.
Usualmente, grupos inteiros de músculos
agem como agonistas para prover o grau
e a direção de movimentos precisamente
necessários, enquanto os antagonistas se
tensionam para evitar que o movimento
exceda o necessário.
Quando ocorre um ganho de massa muscular em decorrência dos exercícios praticados, não se
está aumentando o número de células, mas o volume delas. Nesse caso, verifica-se a hipertrofia
muscular, devido à produção de novas miofibrilas no interior dos miócitos.
39
Bioinformática
A bioinformática é um novo campo de atuação profissional que inclui pesquisas da computação, da estatística
e da biologia molecular.
Os biólogos moleculares possuem uma quantidade cada vez maior de dados sobre DNA, RNA e proteínas. Por
isso, existe a necessidade da utilização de métodos estatísticos capazes de analisar grandes quantidades de dados
biológicos e realizar uma comparação com outros dados disponíveis. No caso de estudos de genomas, computadores realizam a comparação entre genomas de diferentes organismos.
As pesquisas em bioinformática também envolvem estudos sobre a histologia e fisiologia humana. Atualmente,
tem-se estudado a biofabricação de tecidos e órgãos, utilizando-se materiais alternativos que possam se adaptar ao
contato com o tecido humano e que são produzidos por meio do uso de fontes sintéticas ou naturais.
Esse processo de “engenharia tecidual” pode ser possível porque a bioinformática auxilia a produzir, de modo
ético, órgãos ou aparelhos artificiais mais complexos (próteses, coração, rins, pulmões, etc.); e tecidos ou órgãos
vivos para o desenvolvimento e testes de novas drogas, terapias e até mesmo transplantes.
Tecido nervoso
Neurônio
nervoso
@BIO306
Apresentando um aspecto estrelado com prolongamentos, os neurônios são células excitáveis, pois geram e
transmitem os impulsos nervosos. Essas células nervosas
constituem a unidade funcional básica do sistema nervoso.
Os neurônios são dotados das seguintes regiões:
Dendritos (do grego dendron, ramo de árvore) – prolongamentos curtos, ramificados e geralmente numerosos que captam os estímulos do ambiente, de células epiteliais ou de outros neurônios e os conduzem
ao corpo celular.
Corpo celular (pericário) – região com forma geralmente estrelada, é constituído pela membrana,
organelas celulares e núcleo. O corpo celular do neurônio apresenta um núcleo grande e arredondado, as
mitocôndrias são numerosas e o retículo endoplasmático granuloso é bem desenvolvido.
Axônio (do grego axis, eixo) – prolongamento cilíndrico com ramificações em sua extremidade. Geralmente, o axônio é mais longo do que os dendritos de
um mesmo neurônio, variando de frações de milímetros até cerca de 1 metro. Na parte final do axônio,
os prolongamentos finos em conjunto formam os
terminais axonais, onde há pequenas dilatações
com vesículas portadoras de neurotransmissores.
Essas substâncias atuam como mediadores químicos
que possibilitam a condução do impulso nervoso.
Núcleo do
oligodendrócito
Axônio
Estrato
mielínico
Nó
neurofibroso
Terminais
axonais
Corpo
celular
Dendritos
Na estrutura do neurônio, existe um corpo celular, onde se
encontram o núcleo e as ramificações, os dendritos. O axônio
estende-se desde o corpo celular e encontra-se envolvido
pelas células denominadas oligodendrócitos, separadas por
espaços, os nós neurofibrosos
Eduardo Borges. 2010. Digital.
O tecido nervoso atua com uma estrutura sensível a vários
tipos de estímulos originados do ambiente externo ou do interior
do organismo. Ao ser estimulado, esse tecido conduz os impulsos
nervosos de maneira rápida e passageira, às vezes por distâncias
relativamente grandes, integrando os diversos tipos de tecido.
O tecido nervoso é constituído de dois componentes
principais: os neurônios (células nervosas) e uma variedade
de células neurogliais (do grego glia,
Características
cola), chamadas gliócitos, que nutrem,
das células
do tecido
defendem e sustentam o tecido nervoso.
Biologia
2.a série – 3.o volume
Em muitos axônios, os oligodendrócitos (células de Schwann) formam um envoltório de lipídios
denominado estrato mielínico (bainha de mielina). Esse estrato atua como isolante elétrico e contribui
para o aumento da velocidade de propagação do impulso nervoso ao longo do axônio.
Diferentes
tipos de
neurônios
@BIO327
Gliócitos (neuróglia ou células da glia)
Os gliócitos são mais numerosos e menores do que os neurônios. Localizados apenas no encéfalo
e na medula espinhal, os gliócitos executam importantes funções e podem ser classificados como:
Oligodendrócitos – são células responsáveis pela produção da mielina.
Astrócitos – células semelhantes a estrelas que realizam a nutrição dos neurônios, retirando nutrientes dos capilares sanguíneos. Além disso, suportam e protegem os neurônios, formando uma barreira
que evita a passagem de diversas substâncias tóxicas do sangue ao encéfalo.
Micróglia – células derivadas dos macrófagos que realizam atividade de defesa, fagocitando
e eliminando os detritos e restos celulares.
Capilar
Micróglia
Existe uma íntima ligação
dos neurônios com os gliócitos. Os astrócitos retiram
os nutrientes dos capilares
sanguíneos e os fornecem
aos neurônios; os oligodendrócitos formam a mielina
e a micróglia fagocita os
detritos do tecido
Astrócito
Jack Art. 2011. Digital.
Em doenças
causadas pela
perda do estrato
mielínico
(desmielinização)
dos neurônios,
como a esclerose
múltipla, ocorre
a diminuição
da velocidade
de condução
dos impulsos
nervosos.
Neurônio
Oligodendrócito
Origem e propagação do impulso nervoso
Eduardo Borges. 2011. Digital.
Para que um estímulo externo (sonoro, visual, tátil, olfativo ou gustativo) seja respondido pelo organismo, ele deve ser transformado em potencial de ação ou impulso nervoso. No entanto, quando um
neurônio não está realizando a condução de um impulso nervoso, diz-se que se encontra em “repouso”
(não estimulado). Desse modo, existe um potencial de repouso em que a membrana celular do neurônio
apresenta maior quantidade de íons sódio (Na+) do lado externo e de íons potássio (K+) do lado interno.
Em repouso, a face interna é carregada negativamente em relação à face externa, estabelecendo-se
uma diferença de potencial de aproximadamente –70 mV (milivolts). Essa diferença denomina-se potencial de repouso e faz com que a membrana de um neurônio não estimulado se mantenha polarizada,
como uma pilha elétrica, em que a face interna é o “polo negativo” e a face externa é o “’polo positivo”.
O neurônio em repouso apresenta maior quantidade de íons sódio (Na+) do lado externo e de íons potássio (K+) do lado
interno. A proporção de Na+ é maior do que a de K+, fazendo com que o lado externo se torne carregado positivamente e
o lado interno seja carregado negativamente. Essa diferença de cargas elétricas gera um potencial de repouso
40
11. Tecidos musculares e tecido nervoso
Biologia
2.a série – 3.o volume
Etapas do impulso nervoso
41
A inversão
de polaridade
(despolarização)
provoca a formação
do potencial
de ação em um
neurônio excitado
Eduardo Borges. 2011. Digital.
O impulso nervoso (potencial de ação) é um movimento coordenado de íons sódio (Na+) e íons
potássio (K+) pela membrana celular dos neurônios. Esse processo funciona da seguinte maneira:
Um estímulo (mecânico, elétrico ou químico) faz com que se abram canais de sódio de uma
pequena parte da membrana plasmática.
Os íons sódio (Na+) entram na célula através desses canais abertos. A carga positiva do sódio
faz com que ocorra a inversão de polaridade (despolarização), ou seja, o interior da célula
fica um pouco menos negativo.
Quando a inversão de polaridade chega a um determinado valor limite, ocorre a abertura de
maior quantidade de canais de sódio naquela área, ativando um potencial de ação, que
desencadeia o impulso nervoso. Nesse momento, o interior da célula (nessa região) torna-se
positivo e o exterior negativo, fazendo com que o potencial elétrico chegue a +40 mV.
Cerca de 1 milissegundo depois, os canais de sódio se fecham e não ocorre mais a entrada
desses íons.
Esse potencial positivo da membrana faz com que se abram os canais de íons potássio (K+).
Como os íons K+ são positivos, o seu movimento para o exterior da membrana faz com que o
interior fique mais negativo e volte ao potencial de repouso da membrana (repolariza a célula).
Quando isso ocorre, os canais de potássio se fecham e os íons de potássio não conseguem mais deixar
a célula.
Nesse instante, a polaridade voltou à inicial. No entanto os íons necessitam retornar ao seu estado original (repouso), para restabelecer a diferença de concentração que existia inicialmente entre os meios.
Os íons sódio que entraram na célula passam para o meio externo, e os íons potássio que estavam fora da célula passam para o meio interno. Essas passagens iônicas ocorrem por meio do
mecanismo de transporte ativo denominado bomba de sódio e potássio.
A sequência de eventos de transmissão do impulso nervoso ocorre em uma área local da membrana. Essas mudanças são transmitidas para a próxima área da membrana e, em seguida,
para a outra, percorrendo toda a extensão do neurônio, desde os dendritos ao final do axônio.
Dessa forma, o impulso nervoso é transmitido no interior da célula nervosa.
10
A inversão abrupta do potencial elétrico na membrana dos neurônios, cuja amplitude é de
aproximadamente 110 mV (de –70 mV para +40 mV), denomina-se potencial de ação.
A direção do impulso nervoso percorre o seguinte trajeto:
dendritos → corpo celular → axônio
Neurônios amielínicos e mielínicos
Eduardo Borges. 2011. Digital.
Transmissão
dos impulsos
nervosos
@BIO398
Na condução saltatória, o potencial de ação parece
pular de nó a nó nos axônios mielinizados
O impulso nervoso descrito anteriormente ocorre através de um neurônio amielínico (não mielinizado).
Nos neurônios mielínicos (mielinizados), a maior parte do axônio possui
mielina; no entanto, existem regiões
de descontinuidade do axônio (sem
o estrato mielínico), que formam um
estrangulamento denominado nó
neurofibroso (nódulo de Ranvier).
Nesses locais, podem ser detectadas as transmissões dos impulsos
nervosos. Isso acontece nas regiões
dos nós, porque o estrato mielínico
atua como um isolante elétrico, não
sendo possível a despolarização da
membrana do neurônio nesses locais.
Dessa forma, o impulso nervoso salta
de um nó para outro. Essa espécie de
condução denomina-se saltatória e
é extremamente rápida.
Observe o esquema sobre a esclerose:
2 As citocinas, que deveriam reconhecer e combater vírus e bactérias
1 Na esclerose múltipla o sistema de defesa
passam a atacar a mielina, uma substância que reveste e protege
neurônios do cérebro, dos nervos ópticos e da medula espinhal.
do corpo (imunológico) fica desregulado,
fazendo com que o organismo produza um
excesso de citocinas (proteínas envolvidas
na defesa).
Neurônio
Mielina
Sistema
nervoso
central
3 A inflamação da mielina afetada pelas citocinas forma uma
espécie de cicatriz (lesão), que os médicos chamam de esclerose,
daí o nome da doença.
Divo. 2011. 3D.
Medula
espinhal
4 Quando a mielina é atingida
ou destruída, neurônios
também são afetados, e
isso altera ou interrompe
os impulsos nervosos
entre eles, provocando os
sintomas da doença.
Mielina
Que tipo de consequência poderá ocorrer ao organismo quando ocorre desmielinização dos neurônios? Justifique.
42
11. Tecidos musculares e tecido nervoso
Sinapse
Divo. 2010. 3D.
Uma das características mais fantásticas do sistema nervoso deriva da interação entre os neurônios,
o que possibilita regular a atividade glandular, o aprendizado, a memorização, entre outras sensações
nervosas. Tudo isso ocorre devido à região de aproximação existente entre um neurônio e outro (ou outra
célula), facilitando a condução do impulso nervoso de uma célula para outra. Essa região é a sinapse.
A sinapse não é uma região de
continuidade citoplasmática, ou seja,
não existe contato físico entre as células. Para que ocorra a transmissão
nervosa, é necessário que uma mensagem química seja liberada para que
haja a excitação da célula seguinte.
Essas mensagens nada mais são do
que substâncias denominadas neurotransmissores, neurormônios ou
mediadores químicos, que são secretados no espaço existente entre
as duas células, denominado fenda
sináptica. A célula que envia a mensagem se designa pré-sináptica e a
que recebe se chama pós-sináptica.
Regiões sinápticas (setas) entre os neurônios pré e pós-sinápticos
Funcionamento da sinapse
Estrutura
da sinapse
nervosa
@BIO307
Excitação e
inibição da
atividade
sináptica
@BIO328
Na região terminal do axônio, próxima à fenda sináptica, existem ramificações contendo numerosas vesículas com neurotransmissores. Entre os neurotransmissores estão: adrenalina, acetilcolina,
noradrenalina, dopamina, serotonina, endorfina, encefalina, etc.
Após a chegada do impulso nervoso à região final do axônio, as vesículas se fundem com a membrana pré-sináptica, liberando o neurotransmissor para a fenda sináptica. A membrana pós-sináptica
contém receptores específicos para a molécula neurotransmissora secretada, cuja ligação vai provocar
a abertura momentânea dos canais de sódio e a formação de um novo potencial de ação. Assim, o
impulso nervoso é conduzido ao longo da célula seguinte.
Após a transmissão do impulso nervoso, o neurotransmissor é recaptado pelo neurônio que o
liberou e, com isso, pode ser utilizado novamente para a propagação de outros impulsos nervosos.
Luis Moura. 2011. Digital.
Axônio
(final do nervo)
Mitocôndria
Vesícula
sináptica
Esquema de
uma sinapse
Local de
liberação
Receptores de
acetilcolina
(Neurotransmissor)
Neurotransmissor
11
Biologia
2.a série – 3.o volume
43
ZIMMER Carl. 100 trilhões de conexões. Disponível em:
<http://www2.uol.com.br/sciam/reportagens/100_trilhoes_de_conexoes_imprimir.html>. Acesso em: 23 maio 2011.
De acordo com o que se afirma no texto e os
seus conhecimentos, responda:
a) A que tipo de sinapse o texto faz referência?
Justifique.
b) Explique o funcionamento de uma sinapse
química, considerando sua ocorrência na placa motora.
2. Algumas pessoas passam a modelar seus corpos, aparentemente saudáveis, usando esteroides anabolizantes sintéticos. Essas substâncias
são medicamentos que agem como verdadeiras
“fábricas de proteínas”, pois o corpo passa a
sintetizar mais proteínas, pelo estímulo dos hormônios. Qual o motivo dessa rápida hipertrofia
muscular nessas pessoas?
3. (UFOP – MG) Para um indivíduo sedentário, fazer
uma caminhada é um exercício muito intenso.
Nesse caso, a quantidade de gás oxigênio que
chega aos músculos não é suficiente para suprir
as necessidades respiratórias das fibras musculares do sujeito.
Considerando esses dados, responda às seguintes questões:
a) O indivíduo sentirá dor muscular? Justifique
sua resposta.
b) Com base nas seguintes figuras, defina as estruturas do músculo esquelético reapresentadas pelas letras a, b e c. A figura (I) ou a figura
(II) representa um músculo relaxado? Justifique sua resposta.
44
11. Tecidos musculares e tecido nervoso
a
b
c
(I)
(II)
4. A imagem a seguir representa o que acontece
durante a atividade sináptica normal (a) e durante a miastenia gravis (b), uma doença neuromuscular que causa fraqueza e fadiga anormalmente
rápida dos músculos voluntários.
Eduardo Borges. 2011. Digital.
1. [...] Os neurônios formam redes estendendo
axônios, que fazem contato com outros neurônios. Quando isso ocorre, um sinal que se propaga por uma célula nervosa pode disparar uma
onda de corrente em outros neurônios. Como
cada célula pode se unir a milhares de outras –
tanto as próximas como as que se encontram
do outro lado do cérebro –, as redes neurais podem assumir um incrível número de arranjos. A
forma como uma determinada rede se organiza
tem enormes implicações no funcionamento do
cérebro. [...]
Com base na imagem, explique os sintomas da
miastenia gravis.
5. Num certo dia de inverno, em que o termômetro
marcava 4°C, dois colegas de classe resolveram
participar de uma partida de futebol. No início
do jogo, eles estavam bem agasalhados. Depois
de 20 minutos de bate bola, tiraram seus agasalhos e ficaram apenas de camisa de mangas curtas. Com base nesse fato, justifique o aumento
do calor no corpo desses jovens e qual a importância da secreção do suor nesse caso.
6. Alguns autores costumam comparar a transmissão do impulso nervoso à queda sequencial de
uma fileira de peças de dominó colocadas em
pé. Ao cair, cada uma das peças provoca a queda da peça vizinha. Na membrana do neurônio,
a inversão de polaridade de uma área provoca
a inversão da área vizinha, fazendo com que o
impulso nervoso siga o seu caminho no sentido:
dendritos, corpo celular e axônio. Por que essa
comparação poderia ser ainda melhor se cada
peça do dominó se levantasse imediatamente
após a queda?
7. (UECE) Além de participar da construção do corpo dos organismos, as proteínas exercem diversas funções. Podemos afirmar, corretamente,
que as proteínas actina e miosina estão envolvidas no processo de:
a) transporte de oxigênio no tecido sanguíneo.
b) cobertura protetora da pele.
X c) contração muscular.
d) sinapse nas terminações nervosas.
8. Os jogadores de futebol que têm chutes potentes
constituem um seleto grupo de atletas que podem decidir importantes partidas. A velocidade
de contração do sistema muscular desses jogadores é extremamente alta. Eles já nasceram com
a herança genética para desenvolverem músculos potentes, embora um bom programa de treinamento possa aumentar consideravelmente a
potência de um jogador, bem como de qualquer
atleta. Considerando essas informações, assinale
a alternativa correta.
a) A potência do chute independe da quantidade de miofibrilas existentes em cada grupo de
miócitos.
b) O mesmo tipo de miócito que possibilita o chute
também pode ser encontrado no miocárdio.
X c) O atleta pode aumentar sua potência muscular por meio de atividades físicas que provocam o aumento do volume dos miócitos.
d) Quando uma pessoa está dormindo, todos
seus neurônios ligados aos miócitos se mantêm em repouso, pois nesses momentos não
ocorrem potenciais de ação.
e) O desenvolvimento muscular de um atleta não
tem relação com a placa motora.
9. (UFSC)
Para o alto e avante!
Mecanismo único permite que um inseto salte mais de
cem vezes sua própria altura.
Um inseto de apenas seis milímetros de comprimento é capaz de pular proporcionalmente mais
alto que qualquer outro animal na natureza. O
salto da cigarra da espuma (Philaenus spumarius)
pode chegar a 70 centímetros – mais de 100 vezes
sua própria altura. Isso seria o equivalente a um
homem que saltasse uma altura de 200 metros, ou
um prédio de cerca de 70 andares. A execução dos
enormes saltos da cigarra da espuma requer uma
grande quantidade de energia, que não pode ser
obtida pela contração direta dos músculos em um
curto espaço de tempo. A força muscular do inseto
é gerada lentamente antes do pulo e é estocada.
Assim que os músculos da cigarra geram força suficiente para o salto, ela “solta” suas pernas, que
disparam como um gatilho e a projetam no ar.
Disponível em: <http://www.cienciahoje.uol.com.br/3819>.
Acesso em: 15 set. 2009. (Adaptação)
Sobre o assunto do texto, assinale a(s) proposição(ões) correta(s):
(01) A energia necessária para o movimento descrito é gerada pela musculatura do tipo lisa,
já que o movimento é lento e contínuo.
X (02) A fonte primária de energia dos músculos
provém da molécula de adenosina trifosfato (ATP), presente nas células.
(04) A cigarra mencionada no texto (Philaenus
spumarius) é um artrópode, pertencente ao
grupo dos aracnídeos.
(08) Os mecanismos de produção de energia na
célula envolvem a participação direta de organelas celulares, como os lisossomos.
(16) O exemplo de movimento citado no texto
(salto) é incomum e pode parecer desnecessário entre os insetos, já que todos possuem
asas e podem voar.
X (32) Em geral uma contração muscular é resultado da interação entre filamentos contráteis
que deslizam em sentidos contrários.
10. (UDESC) O bolo alimentar passa do esôfago para
o estômago com o auxílio de movimentos peristálticos. No estômago, ele sofre a quimificação
e, no intestino delgado, transforma-se em quilo
(produto final da digestão), quando a maior parte dos nutrientes começa a ser absorvida pelas
células que revestem o intestino. Assinale a alternativa correta que contém o tecido responsável
pelos movimentos peristálticos e o tecido das células absortivas do intestino, respectivamente.
a) Tecido epitelial estratificado pavimentoso e
tecido epitelial simples prismático.
b) Tecido muscular esquelético e tecido epitelial
estratificado cúbico.
X c) Tecido muscular liso e tecido epitelial simples
prismático.
d) Tecido muscular liso e tecido epitelial estratificado pavimentoso.
e) Tecido muscular esquelético e tecido epitelial
simples.
Biologia
2.a série – 3.o volume
45