Água e Regulação Água e Regulação OsmóticaOsmótica

1. Introdução

1.1. Importância da homeostase da composição química dos fluídos corporais.

1.2. Estratégias dos animais:• diminuição da permeabilidade (limitada).• diminuição do gradiente de concentração entre os

fluidos corporais e o ambiente.

02. Diferentes meios, diferentes problemas

• Ambiente marinho• Ambiente dulcícola

• Ambiente terrestre

2.1. Ambiente Aquático. Água do mar (71% da superfície da Terra).

Composição da água do mar (Potts & Parry, 1964).

Íon Quantidade por L água do mar

Quantidade por Kg água do mar

mmol g mmol g

Sódio 470,2 10,813 475,4 10,933

Magnésio 53,57 1,303 54,17 1,317

Cálcio 10,23 0,410 10,34 0,414

Potássio 9,96 0,389 10,07 0,394

Cloreto 548,3 19,440 554,4 19,658

Sulfato 28,25 2,713 28,56 2,744

Bicarbonato 2,34 0,143 2,37 0,145

2.2. Água doce (< 0,71% da superfície da Terra)• Teor altamente variado de solutos (quantidade diminutas de sais ocorrem na água de chuva, oriundos do mar + adição de sais do solo).

• O conteúdo total de sal da água doce varia de < 0,1 mmol/L a >10mmol/L.

• Chuvas ácidas: SO2 e NO2, pH 4 (inibição do transporte ativo de Na+).

Íon Água mole de lagoa

Água de riob

Água dura de rioc

Água salinad

Mar mortoe

Na+ 0,17 0,39 6,13 640 1955

Mg++ 0,15 0,21 0,66 6 2028

Ca++ 0,22 0,52 5,01 32 481

K+ - 0,04 0,11 16 219

Cl- 0,03 0,23 13,44 630 7112

SO4- 0,09 0,21 1,40 54 5,3

HCO3- 0,43 1,11 1,39 3 3,7

aLago Nipissing, Ontario.bComposição média dos rios da América do Norte. cRio Tuscarawas, Ohio.dÁgua Ruim, Vale da Morte, Califórnia.eMar Morto, Israel. Esta água contém 74 mmol/Kg H2O de Br-.

Tabela 8.2. Composição típica de água mole, água dura e águas salinas interiores (mmol/Kg água)

2.3. Águas Estuarinas (<1% superfície da Terra)

• Na boca de um rio grande a água doce dilui o oceano por uma distância considerável. Nesta área a salinidade varia rapidamente com as marés, de água quase doce a água do mar quase não diluída (salinidade 0,05% a 30%).

Importância das águas estuarinas

• Forma uma barreira para a distribuição de muitos animais marinhos de um lado, de animais de água doce do outro; forma também uma transição interessante entre hábitats marinhos e dulcícolas.

2.4. Terminologia

2.4.1. isosmótico2.4.2. osmoconformista2.4.3. osmorregulador2.4.4. hiperosmótico2.4.5. hiposmótico2.4.6. regulação iônica2.4.7. eurihalino2.4.8. estenohalino2.4.9. osmolaridade2.4.10. isotônico (volume celular) ≠ isosmótico (físico-

química)

Ex.: uma solução isosmótica de uréia não

é isotônica com a célula.

• A uréia penetra rapidamente nas hemáceas de tal maneira que a [uréia] dentro e fora se igualem.

• Os eletrólitos não saem da célula, que se comporta como estivesse em água destilada.

• Como há sais dentro e nenhum fora, a água flui para a célula, que incha e estoura.

2.5. Animais marinhos

• A maioria dos invertebrados marinhos possui osmolaridade igual a do meio. São, pois,

isosmóticos.

Teriam algum problema?

• Em alguns animais as concentrações são similares às da água do mar. Em outras todavia há diferença.

• Ser isosmótico não significa ter a mesma composição do meio, o que requer extensa regulação.

Na Mg Ca K Cl SO4 Proteína

Água do mar 478,3 54,5 10,5 10,1 558,4 28,8 -

Água viva (Aurelia) 474 53,0 10,0 10,7 580 15,8 0,7

Poliqueta (Aphrodite) 476 54,6 10,5 10,5 557 26,5 0,2

Ouriço-do-mar (Echinus) 474 53,5 10,6 10,1 557 28,7 0,3

Mexilhão (Mytilus) 474 52,6 11,9 12,0 553 28,9 1,6

Lula (Loligo) 456 55,4 10,6 22,2 578 8,1 150

Isótopo (Ligia) 566 20,2 34,9 13,3 629 4,0 -

Caranguejo (Maia) 488 44,1 13,6 12,4 554 14,5 -

Caranguejo de Praia (Carcinus)

531 19,5 13,3 12,3 557 16,5 60

Lagosta (Nephrosps) 541 9,3 11,9 7,8 552 19,8 33

Feiticeira (Myxine) 537 18,0 5,9 9,1 542 6,3 67

Tabela 8.3. Concentrações de íons comuns (mmoles/Kg água) na água do mar e nos fluidos corporais de alguns animais marinhos. (Potts & Parry, 1964).

• Importância da Impermeabilidade + mecanismo para eliminar alguns íons enquanto mantêm outros em níveis maiores que o da água.

• Se a concentração no animal diferir pouco da concentração na água do mar, fica menos claro se a diferença é atribuível à regulação.

• As proteínas têm influência considerável sobre a distribuição dos íons através da membrana semipermeável (Efeito Donnan).

Regulação Iônica/ Efeito Donnan

• Assim, uma diferença em concentração no fluido vs meio não significa necessariamente que haja regulação iônica.

COMO SABER?

• Diálise do fluido corporal contra água do mar.

• No equilíbrio a [íons] dentro do saco diferirá de alguma maneira da [íons] do lado de fora devido ao efeito Donnan das proteínas.

• A [íons] dentro do saco serve como linha de base, e a [íons] encontrada no animal é

expressa como % da linha de base

uma diferença apreciável entre o valor observado e a [íons] encontrada

passivamente pela diálise deve ser resultado da regulação ativa do íon em

particular.

Pachygrapus marmoratus

• tem de 3 a 4 cm, é bem ativo e vive em profundidades de 0 a 2 m

• possui baixas concentrações de magnésio nos fluidos corporais

Sepia officinalis

• Tem de 20 a 21 cm

• Se movimenta rapidamente e nada muito bem

• Porém, possui alta concentração de magnésio nos fluidos corporais

Animal Na Mg Ca K Cl SO4

Celenterados

Aurelia aurita 99 97 96 106 104 47

Equinodermos

Marthasterias glacialis 100 98 101 111 101 100

Tunicados

Salpa maxima 100 95 96 113 102 65

Anelídeos

Arenicola marina 100 100 100 104 100 92

Sipunculídeos

Phascolosoma vulgaris 104 69 104 110 99 91

Crustáceos

Maia squinado 100 81 122 125 102 66

Dromia vulgaris 97 99 84 120 103 53

Carcinus maenas 110 34 108 118 104 61

Pachygrapsus marmoratus* 94 24 92 95 87 46

Nephrops norvegicus 113 17 124 77 99 69

Tabela 8.4 Regulação em alguns invertebrados marinhos. Concentrações no plasma ou fluido celômico [% da concentração nos fluidos corporais dializados contra água do mar] (Robertson 1957).

Moluscos

Animal Na Mg Ca K Cl SO4

Pecten maximus 100 97 103 130 100 97

Neptunea antiqua 101 101 102 114 101 98

Sepia officinalis 93 98 91 205 105 22

* Este caranguejo é o único listado que é hiposmótico em relação à água do mar (concentração iônica 86% daquela da água do mar).

Neptunea antiquaPecten maximus

Tabela 8.4- Continuada

Regulação do volume celular

• Maioria dos animais - o volume celular, após um distúrbio inicial, retorna a seu volume original, que permanece relativamente constante.

• Estratégias de animais em estresse de salinidade (vertebrados e invertebrados): aumento ou redução da [aminoácidos] intracelular para manter a isotonicidade da célula.

• Como aumentar a [ ]? Como diminuir a [aminoácidos]?

• Por que a regulação IC é baseada em compostos orgânicos (gly, ser, β-ala, e outros aa) quando o aumento nas concentrações do sangue é causado principalmente por íons inorgânicos?

• Problemas com Na e K – efeito perturbador sobre a ação de enzimas metabólicas.

• Alguns aa, como a lys e a arg, possuem efeito perturbador também.

• Nas fibras musculares de cracas, cerca de 70% da concentração osmótica é feita de aminoácidos, com gly constituindo mais da metade [Clark & Hinke, 1981].

Lys

Arg

Cracas

• O que acontece quando transferimos animais marinhos para águas mais diluídas (80%)? A maioria sobrevive, se comportando quer como osmoconformista (ex.: estrela do mar e ostras), quer como osmorregulador (permanecerão hiperosmóticos).

2.6. Animais de água doce e estuarina

Animal Meio hipoX

X

X

X

X

X

Perda de sal

Ganho de água

• Qual comportamento será mais vantajoso a longo prazo?

• O osmorregulador pode resistir melhor às flutuações no ambiente.

EstratégiasTransporte ativo: Como demonstrar?• Depletar o animal dulcícola de seus íons colocando-o

em água destilada.• Colocar de volta na água doce recupera sua

concentração sangüínea (embora a água doce seja 100x mais diluída que o sangue = 5 mOsm/L).

Perda de salGanho de água

H2O destilada

500mOsm 450mOsm

Transporte Ativo

• Quais os órgãos envolvidos no TA?• Nem sempre são conhecidos:

Brânquias dos crustáceos

Papilas anais de larvas de alguns insetos

Superfície corporal de alguns animais (?).

2.7 Animais em habitats salinos: Hiporregulação

• O camarão Palaemonetes e o Leader diferem de muitos animais quanto ao comportamento osmótico.

• Em água do mar são HIPOTÔNICOS e isso deve requerer regulação ativa (incomum em invertebrados).

Palaemonetes

• Pertencem a um grupo que originalmente habitavam água doce

• e invadiram secundariamente o mar, mantendo níveis de concentração mais baixa do que a do mar.

Onde mais a hiporregulação pode ser importante?

• Em águas salinas mais concentradas do que a água do mar.

Ex.: microcamarão eurihalino Artemia, encontrada em lagos salgados e em poças marinhas que sofreram evaporação (0,35 a 30%).

• Em água do mar diluída Artemia é hipertônica e se comporta como um organismo de água estuarina.

Artemia

• Em concentrações mais elevadas, é um excelente hiporregulador (regulação ativa): engole o meio PO do intestino fica maior que da hemolinfa a [Na+] e [Cl-] no intestino é menor que a da hemolinfa Na e Cl devem ser removidos por TA.

• Para eliminar esses íons do corpo, a excreção deve ocorrer em outro lugar (epitélio das brânquias).

Estratégias de mosquitos que sobrevivem em água doce e salina

• Em baixa salinidade as larvas de Aedes campestris são hiperosmóticas, mas em altas concentrações são hiposmóticas.

O QUE FAZEM?• aumentam a ingestão de água • ganham mais íons • o excesso é excretado com o

auxílio dos túbulos de Malpighi e o reto.

Aedes campestris

as papilas anais são

importantes apenas para a captação de íons

em meios diluídos

2.8. Vertebrados aquáticos (peixes e anfíbios)

• Os representantes marinhos caem dentro de 2 grupos:1) isosmóticos com o mar ou ligeiramente hiperosmóticos (feiticeira, elasmobrânquios, Latimeria e rã comedora de caranguejo). PROBLEMAS?

2) hiposmóticos (concentração 1/3 da do mar – lampréias e teleósteos).PROBLEMAS? Perda de água e ganho de sal.

• Os problemas osmóticos e os meios de resolvê-los diferem drasticamente entre os vertebrados marinhos (Tabela 8.6).

• Os vertebrados dulcícolas possuem concentrações 1/4 a 1/3 da água do mar; são hiperosmóticos ao meio e em princípio similares aos invertebrados dulcícolas. PROBLEMAS?

• Perda de sal e ganho de água.

• Estratégias dos vertebrados:• Ciclóstomos:

a)feiticeira (estritamente marinho) – único vertebrado hiperosmótico ao mar;

b) Lampréias (marinha e dulcícola) – hipoosmótica. PROBLEMAS?

• Elasmobrânquios: (raias e tubarões) – mantêm-se isosmóticos com o acúmulo de uréia (100x mamíferos) + TMAO. Intensa regulação iônica (Na), na excreção pela glândula retal e brânquias. Necessitam beber?

• Elasmobrânquios dulcícolas: uréia = 1/3 da uréia sanguínea dos marinhos. Ex.: Raia da Amazônia (Potamotrygon) (suporta 0,5 [mar]).

Habitat Soluto Conc. Osmótica

(mOsmo/L)Na K Uréiaa

Água do mar ~450 10 0 ~1000

Ciclóstomos

Feiticeira (Myxine)

Lampréia (Petromyzo)

Lampréia (Lampetra)

Marinho

Marinho

Doce

549

120

11

3

-

< 1

1152

317

270

Elasmobrânquios

Raia (Raja)

Peixe cão (Squalus)

Raia dulcícola (Potamotrygon)

Marinho

Marinho

Doce

289

287

150

4

5

6

444

354

< 1

1050

1000

308

Celacanto

(Latimeria) Marinho 197 7 350 954

Tabela 8.6. Concentrações dos principais solutos (mmoles/L) na água do mar e no plasma de alguns vertebrados aquáticos.

Habitat Soluto Conc. Osmótica

(mOsmo/L)Na K Uréiaa

Teleósteos

Peixe dourado (Carassius)

Peixe sapo (Opsanus)

Enguia (Anguila)

Salmão (Salmo)

Doce

Marinho

Doce

Marinho

Doce

Marinho

115

160

155

177

181

212

4

5

3

3

2

3

259

392

323

371

340

400

Anfíbios

Rã (Rana)

Rã comedora de caranguejo (Rana cancrivora)

Doce

Marinho

92

252

3

14

~ 1

350

200

830b

aQuando nenhum valor for dado a uréia, a concentração é da ordem de 1 mmol/L e osmoticamente insiguinificante.

bValores para rãs mantidas em meio de cerca de 800 mOsmol/L ou 4/5 do valor normal do mar.

Quais as estratégias dos ciclóstomos: feiticeira (estritamente marinho e estenohalino) e lampreias (vivem no mar e na água doce)?

Feiticeira

R) – A feiticeira é o único vertebrado com fluidos corporais isosmóticos com a água do mar ou ligeiramente hiperosmóticos. Possui, no entanto, regulação iônica.

Comporta-se osmoticamente

como os invertebrados.

• Já as lampreias, vivem no mar e na água doce, mesmo a lampreia marinha (Petromyzon marinus) é anadrômica e sobe ao rio para se reproduzir.

• Ambas possuem concentração de 1/4 a 1/3 da [mar]. Problemas? Mesmo dos Teleósteos.

Petromyzon marinus (lampréia marinha)

Quais as estratégias dos tubarões e arraias?

• São quase sem exceção marinhos.• Seus fluidos corporais no mar = 1/3

[mar], porém mantêm a força osmótica através do acúmulo de uréia (100x mais que no sangue dos mamíferos). Seres humanos = 14 a 36mg/dL

uréia

• Além da uréia,um composto osmoticamente importante no sangue dos elasmobrânquios é o TMAO (óxido de trimetilamida), que corrige o efeito desestabilizador da uréia sobre as enzimas.

• Outras aminas metiladas importantesTMAO

Sarcosina Betaína

E os elasmobrânquios dulcícolas?

Tubarão cabeça chata (Carcharhinus leucas): água doce e salgada

Carcharhinus leucas

• Pode entrar no rio. possui uma glândula que evita perda de sal do corpo, podendo nadar em águas doces, subindo cabeceiras de rios, ação fatal a seus parentes

• Seus fluidos possuem menor concentração do que as formas estritamente marinhas; em particular, a uréia é reduzida para menos de 1/3 do valor encontrado nos tubarões marinhos.

• .

• Se encontra mais em mares tropicais.

• Um dos que mais atacam seres humanos.

• Os baixos níveis de soluto no sangue reduzem os problemas de regulação osmótica, pois o fluxo osmótico de água é diminuído e concentrações mais baixas de sal são mais fáceis de serem mantidas

A arraia do Amazonas Potamotrygon é permanentemente estabelecida na água doce.

Possui [uréia] sangüínea similar àquela dos teleósteos dulcícolas.

Assim, retenção de uréia não é um requerimento universal para elasmobrânquios.

Qual a estratégia do celacanto (grupo Crossopterygii)?

• A mesma dos elasmobrânquios: retenção de uréia

Quais os problemas dos peixes ósseos marinhos?Os peixes marinhos possuem [sal] maior que os peixes dulcícolas. Muitos toleram variação de salinidade e vivem entre o mar, as águas estuarinas e água doce. Os marinhos são hiposmóticos em relação ao mar. Problemas?

Perda de água

Ganho de sal

•Soluções?

• Bebem água do mar ganham mais sal, eliminado por TA na superfície branquial.

• Os rins são especializados nos íons divalentes (Mg++ e SO4

-).

O peixe Fundulus heteroclitus prontamente se adapta à água salgada e doce, e tem sido usado para estudar as mudanças na permeabilidade ao Na e Cl que ocorrem durante a adaptação a várias concentrações. VANTAGEM da baixa permeabilidade na água doce? Vantagem da alta permeabilidade no mar? O transporte de íons não ocorre pela superfície branquial, mas por células grandes, chamadas de células cloreto.

E os peixes ósseos dulcícolas?[sal] = 300 mOsm/L – hiperosmóticoProblemas?Soluções? Urina abundante diluída + transporte ativ de íons via branquial. Pouco transporte ocorre via superfície corporal.

A maioria dos peixes ósseos são estenohalinos.

Lampréias, salmões e enguias podem ficar entre água doce e salgada, como parte de seus ciclos de vida normais.

Tais mudanças de meio expõem o peixe a mudanças nas demandas de seus mecanismos

Enguia da água doce para o mar perda d’água 4% peso corpóreo em 10h se impedida de beber continua a perder água e morre de desidratação dentro de poucos dias se lhe for permitida ingestão de água some a perda de peso e um estado de equilíbrio é atingido em 1 ou 2 dias.

Enguia da água salgada para água doce o fluxo de água muda de direção, porém para atingir um equilíbrio dinâmico e compensar o ganho de sal, o TA de íons nas brânquias deve mudar de direção. Como???

Anfíbios dulcícolas - Similar aos peixes ósseos, sendo a pele no adulto o principal órgão de osmorregulação. - Na água, sofre influxo de água, que é então perdida como urina diluída. - Corrigem a perda de sal através de TA via pele.

O que sabemos sobre as estratégias de

regulação osmótica dos anfíbios?

Anfíbios marinhos

• Ligeiramente hiperosmóticos. • Única espécie conhecida Rana cancrivora do

sudeste asiático. • Usa estratégia dos peixes ósseos marinhos, corrigir

a perda osmótica de água através da pele e compensar a difusão para o corpo de sal através da pele.

• A outra estratégia é similar a dos elasmobrânquios marinhos : retêm uréia, fluidos em equilíbrio osmótico com o meio, assim eliminam o problema da perda de água. Acumulam grandes quantidades de uréia (480 mmol/L).

• Rã-comedora-de-carangueijo

• Rana cancrivora

• Family Ranidae