Guia do Professor

Objeto de Aprendizagem: “Pum no elevador”

Introdução

Caro(a) professor(a), o tema deste objeto de aprendizagem, a difusão, prescinde da ênfase necessária, carecendo de relações do fenômeno físico propriamente dito e a fisiologia geral. A atividade pretende demonstrar através de animações o processo de difusão, um tema tido como abstrato pelos alunos, em simulações experimentais que abordam a difusão como um fenômeno físico em um laboratório virtual, mas também nos sistemas vivos . Para isso, a atividade faz relação com assuntos ligados ao cotidiano para a melhor compreensão e aprendizado do tema. Pretende-se, também, demonstrar algumas experiências relacionadas que podem ser realizadas tanto virtualmente como presencialmente, auxiliando na compreensão do processo.

Objetivos

Esta atividade tem como objetivo a compreensão do processo de difusão, os conceitos relacionados, tais como gradiente de concentração, características do soluto, rota de difusão, bem como suas implicações no funcionamento dos organismos.

Pré-requisitos

Os conceitos básicos que são pré-requisitos do tema abordado são: estrutura da membrana de células animais e vegetais, soluto, solvente e gradiente de concentração. É recomendável que a atividade seja realizada após aula teórica sobre o tema.

Tempo previsto para a atividade

A atividade está prevista para ser concluída em cerca de 50 (cinqüenta) minutos ou um tempo de aula, suficiente para o aluno manipular o objeto e para o professor sanar as eventuais dúvidas.

Na sala de aula

Em sala de aula, o professor poderá abordar o tema difusão mostrando sua importância para as células vegetais e animais, tentando sempre relacioná-lo com assuntos do cotidiano para melhor compreensão por parte dos alunos. Como, por exemplo, podem ser citados o transporte de proteínas, íons, água e glicose para o interior das células, animal ou vegetal.

DICAS: O professor poderá direcionar a aula de forma que o aluno veja aplicações do tema no seu cotidiano, citando, por exemplo :

Distribuição uniforme e passiva de solutos devido ao gradiente de concentração. No objeto é apresentado a experiência da gota de corante em água ou na sala de aula, pode ser realizado a dissolução do suco em pó na água.

A abertura de um frasco de perfume em um ambiente fechado, fazendo-os perceber o cheiro a uma determinada distância, devido à difusão de acordo com o gradiente de concentração que se estabelece entre o ar da sala e o perfume, por exemplo. Neste caso poderá ressaltar que o movimento do ar (vento) irá influenciar no processo.

A absorção de solutos por células animais e vegetais, que são os nutrientes por excelência das células, por difusão simples ou facilitada, em especial, a entrada de glicose na célula. A glicose é a maior fonte de energia para a maioria das células animais, possuindo uma proteína carreadora que facilita a entrada de glicose. A molécula de glicose é facilmente alterada quando entra na célula, e assim, o gradiente de concentração favorece entrada de glicose, com maior concentração fora da célula (nos capilares sanguíneos e no intestino) do que dentro. Esse é um tipo de difusão facilitada.

A excreção: formação da urina (rins) e do suor (glândulas sudoríparas). O professor poderá ressaltar que não é só no suor que temos um exemplo de difusão facilitada, nos nossos rins também, durante a formação da urina. Os rins, retém um certo volume de água e liberam íons Na+ e Cl- na formação da urina. Mas como foi dito não é só através da abertura de canais que ocorre difusão facilitada. Uma outra forma é pelas proteínas carreadoras, sem gasto de energia.

O professor poderá questionar aos alunos sobre o que acontece e por que suamos. A maioria dos alunos pode sugerir que é para reduzir o calor do corpo, mas a questão é como isso acontece. Neste momento é importante o professor transpor o assunto a nível celular e dizer a importância da membrana plasmática para o equilíbrio iônico. Esse processo é um exemplo de difusão facilitada. Quanto mais árduo é o trabalho (atividade física vigorosa, por exemplo), mais quentes ficamos e conseqüentemente cedo ou tarde começamos a suar. O suor é uma maneira de reduzir o calor do corpo, usando o excesso de calor para eliminar (evaporar) a água. No pico da atividade, perdemos, às vezes, até 2 litros de água em uma hora. O suor ajuda a manter a temperatura

corporal em níveis normais. As glândulas sudoríparas (responsáveis pela regulação da temperatura do corpo através da excreção do suor) se encontram localizadas logo abaixo da superfície da pele. Elas são, essencialmente, tubos cheios de fluidos extracelulares. Quando estimulados por atividades físicas ou outros sinais, esses tubos se enchem com água e solutos dissolvidos. Para chegar aos fluidos extracelulares, a água deve passar entre e através das células que se encontram na borda do tubo. Uma característica fundamentais das células vivas é sua habilidade de regular o que entra e sai do seu citoplasma através da membrana plasmática. Quando uma pessoa realiza atividades normais, as membranas das células limítrofes com as glândulas sudoríparas não permitem que muita água entre e saia. Porém, quando a mesma pessoa se exercita, poros especiais formados por proteínas de membrana, denominadas aquaporinas, abrem-se e permitem que a água do fluido extracelular passe através das células para um tubo que leva à superfície da pele, resfriando-a.

A excreção nos invertebrados e protozoários é simples, realizada através da eliminação direta dos produtos do catabolismo no meio externo. È observada nos organismos mais primitivos (esponjas, celenterados e alguns protozoários). Nos outros organismos observa-se a ocorrência de estruturas secretoras como nefrídios, solenócitos e tubos de Malpighi.

A Respiração pulmonar associada ou não ao exercício envolve a troca gasosa por difusão, de oxigênio e gás carbônico, entre o corpo e o ambiente. Nos nossos pulmões, assim como os de todos os mamíferos, possuem uma enorme área superficial e uma extensão do comprimento para difusão bastante curta, estas características maximizam a taxa de

troca gasosa, servindo bem às suas necessidades respiratórias, considerando a ecologia e os nossos estilos de vida.

Quando inspiramos, o ar entra nos pulmões através da cavidade oral ou passagem nasal passando por todo o trato respiratório para finalmente chegar aos alvéolos que são os locais de trocas gasosas. Os seres humanos apresentam aproximadamente 300 milhões de alvéolos. Mesmo que cada alvéolo seja muito pequeno, a área superficial associada para difusão de gases respiratórios é de aproximadamente 70m2 que é equivalente ao tamanho de uma quadra de tênis.

Cada alvéolo é composto de células muito finas e ao redor dos alvéolos existem redes de pequenos vasos sanguíneos, os capilares, cujas paredes também são feitas de células extremamente finas. Entre os capilares e os alvéolos existe um espaço que é menor que 2m e uma única célula sanguínea vermelha (hemácia) é maior que 7m. Portanto o espaço disponível para ocorrer a difusão é muito, muito pequeno. Sendo assim a troca gasosa é bastante eficiente.

A respiração pulmonar é um processo bidirecional. O CO2 difunde-se para fora do corpo e o O2 difunde-se para dentro. Dado o mesmo gradiente de pressão parcial, a taxa de difusão das moléculas de CO2 e de O2 é aproximadamente a mesma no ar e na água. Porém, os gradientes de pressão parcial para a difusão de O2 e de CO2 através das superfícies de troca gasosa não são os mesmos. Na atmosfera a quantidade de CO2 é extremamente baixa (cerca de 0,03%); assim, há sempre um bom gradiente de pressão parcial para perda de CO2 dos animais que respiram no ar como nós.

Respiração pulmonar e a respiração celular . A função do sistema respiratório é captar O2 do ar atmosférico e retirar o CO2 por

difusão simples entre as células circunjacentes do tecido pulmonar. Pode-se diferenciar respiração de duas formas a respiração pulmonar, representada pela ventilação (processo mecânico de entrada e saída de ar dos pulmões) e a troca gasosa, hematose, por difusão simples. A respiração celular, ocorre a utilização de O2 pelos tecidos com posterior produção de CO2. O pulmão é a estrutura responsável pela troca gasosa. Tem a maior superfície de contato com o meio ambiente, cerca de 100 m2 , distribuídos em cerca de 300 milhões de alvéolos. Além da hematose, dentre outras funções, o pulmão também participa do equilíbrio térmico ( calor e água ).

A transpiração em plantas. A principal forma de troca de gases e vapor d’água nas plantas ocorre através dos estômatos, já que a transpiração estomática chega a atingir 95% da transpiração total das plantas. Quando abertos, permitem a liberação de oxigênio e a captação do gás carbônico por difusão, imprescindível para a fotossíntese.

Descoberta da Difusão e modelagem matemática. A difusão foi quantificada pela primeira vez pelo um cientista alemão Adolf Fick, que trabalhava com fisiologia animal, em 1855. Através de seus estudos ele elaborou uma fórmula, conhecida como 1ª Lei de Fick da difusão. Esta fórmula diz que a velocidade de difusão depende:

área superficial x diferença de concentração

Distância

A velocidade de transporte ou a densidade de fluxo de uma determinada partícula (que pode ser uma molécula ou um íon) é a quantidade da substância que atravessa uma unidade de área por

unidade de tempo, expressa em mol m-2 s-1. Lembre-se que mol é uma unidade de concentração , pois representa o peso molecular da substância expresso em gramas por um litro. Esta unidade entra na fórmula pois a diferença de concentrações entre os dois pontos onde a difusão irá ocorrer é o gradiente de concentração da partícula, em moles. Quando se estuda a difusão de gases é melhor utilizar a diferença em densidade (g m-3) ou pressão de vapor (mmHg, kPa, bares), em vez de concentração em moles.

Já o comprimento da via de difusão, é a distância entre os dois pontos onde a difusão irá ocorre, no exemplo que estudados, um lado e outro do frasco ou dentro e fora da célula.,.

Mas por que a fórmula? Para demostrar matematicamente que a é a diferença de concentração a força motriz que determina a difusão simples. E assim quanto maior o gradiente de concentração, melhor a difusão. Também é possível observar que quanto maior a distância a ser percorrida mais difícil é a difusão, pois a distância é inversamente proporcional a velocidade de difusão. Para exemplificarmos o quanto a distância atrapalha a difusão, vamos usar a glicose como exemplo : para se deslocar dentro de uma célula de 50μm ela gasta 2,5 segundos. Mas para andar 1m, vai gastar cerca de 32 anos!

Por isso a difusão é tão importante para as células, pois as distâncias são pequenas!

Outra informação muito interessante que podemos obter com esta fórmula é o problema do tamanho do organismo e a velocidade de difusão. Repare que a capacidade de troca por difusão vai depender diretamente da área superficial, que estará na linha de frente da difusão. E assim, quando estudamos a difusão, o tamanho do organismo ou célula passa a ser muito importante. Então, as necessidades de troca

de substâncias um organismo irá dependerá de sua relação de superfície/volume. Veja os exemplos abaixo:

Tipo de organismo

Comprimento

Área superficial em m2

Volume em m3

Relação Superfície

Volume

Em m-1

Bactéria

1mm = 10-

6m6x10-

2

10-18 6.000.000

Ameba 100mm = 10-4m

6x10-

18

10-12 60.000

Mosca 10 mm = 10-2m

6x10-

4

106 600

Cachorro

1m 6x10 10 6

Baleia 100m = 102m

6x104

106 0,06

Para facilitar, vamos assumir a forma de cubo para estes organismos, pois a área do cubo é 6a2 e o volume é igual a área ao cubo(A3)

Quanto maior o volume do corpo do organismo, menor sua superfície relativa e mais difícil será trocas substâncias com o ambiente. Esta limitação a difusão é tão importante que é maioria das células dos organismos unicelulares de vida livre, como as bactérias, possui até 50 μm (a bactéria Escherichia coli possui aproximadamente 1 μm). Os

organismos grandes e multicelulares, como nós, possuem trilhões de células pequenas, visto que o tamanho médio das células de nosso corpo é de 30 μm.

Assim, quanto maior é o organismo, menor é sua relação superfície/volume. E mais difícil será a sua capacidade de troca com o ambiente. Um outro exemplo é o das microvilosidades, que são dobras da membrana plasmática na superfície da célula, voltada para o lúmem do intestino. Estas células podem possuir milhares de microvilosidades (até 3000,) projetadas até 1 mm acima da mucosa. Assim elas aumentam consideravelmente a superfície membrana em contato com o alimento, garantindo uma absorção muito mais eficiente do que foi ingerido.

Já a Escheria coli, uma bactéria que vive as nossas custas, pois habita nosso trato intestinal, é tão pequena que ao evacuarmos, podemos eliminar até um trilhão de bactérias, ou seja, a quantidade total de células de nosso corpo. Por esta razão a sua presença em corpos hídricos (rios, lagos, lagoas e etc) é um indicativo de contaminação por fezes.

Questões para discussão

Além das questões levantadas nas dicas do item anterior, podem também ser citadas :

O que passa pela membrana na Difusão Facilitada? - Algumas substâncias, como a glicose, galactose e alguns aminoácidos têm tamanho superior a 8 Angstrons, o que impede a sua passagem através dos poros da membrana. São, ainda, substâncias não solúveis em lipídios, o que também impede a sua difusão pela matriz lipídica da

membrana. No entanto, estas substâncias passam através da matriz, por transporte passivo, contando, para isto, com o trabalho de proteínas carregadoras (permeases).

Porque e onde ocorre o processo de difusão nos organismos?

Neste momento é importante o professor ressaltar que em um organismo a difusão não será adequada para distribuir as substâncias por todo o corpo, pois as distâncias são longas, porém qualquer organismo é constituído por células, que são pequenas unidades onde a difusão é suficientemente rápida para distribuir pequenas moléculas. Porém, mesmo para um organismo complexo como os seres humanos, a difusão torna-se um processo eficiente.

Qual a diferença entre osmose e difusão? A difusão é um processo de movimento randômico buscando o estado de equilíbrio, o movimento se dá da região de onde a substância está mais concentrada para região onde esteja menos concentrada. Esse movimento é direcional até que o equilíbrio seja atingido. A rapidez com que a substância se difunde depende principalmente do gradiente de concentração do sistema. Quanto maior o gradiente de concentração, mais rápido a substância se difunde. A osmose é a difusão da água, através da membrana, que se torna possível porque as moléculas de água são pequenas o suficiente para atravessarem a membrana celular. Há ainda a presença de proteínas transportadoras de água, as aquaporinas. O professor pode ressaltar para os alunos que na osmose, o gradiente de concentração de água é respeitado, seguindo os princípios da difusão, ou seja, a água se move da região onde há mais água disponível (solução menos concentrada ou hipotônica) para região onde há menos água disponível (solução mais concentrada ou hipertônica).

Canais e transportadores. Além de passar diretamente pela membrana, o soluto pode receber uma ajuda para entrar e isto ocorre graças a presença de permeases ou permeasas, ou proteínas de canal ou ainda de proteínas transportadoras. Assim vários íons como o Na+, K+, Ca2+, Cl, também vários aminoácidos e monossacarídeos conseguem entrar na célula. As proteínas de canal são proteínas com um orifício ou canal interno, cuja abertura está regulada, por exemplo, como ocorre com neurotransmissores ou hormônios, que se unem a uma determinada região, o receptor da proteína de canal, que sofre uma transformação estrutural que induz a abertura do canal. Permite o transporte de pequenas moléculas polares, como os, aminoácidos e monossacarídeos etc, que não conseguindo atravessar a bicamada lipídica, requerem que proteínas trasmembranosas facilitem sua passagem. Estas proteínas recebem o nome de proteínas transportadoras ou permeasas (ases) que, ao unirem-se a molécula que irão transportar sofrem uma modificação em sua estrutura, que conduz aquela molécula ao interior da célula. A água poderá atravesar a membrana por difusão simples, ou facilitada, com auxílio das aquaporinas. As aquaporinas são proteínas que ocorrem em bichos e plantas, especialmente nos tecidos que necessitam movimentar água com muita rapidez, como a pele, os rins e intestinos, no caso dos animais, e as células do estômato das folhas de plantas.

Na sala de computadores

Preparação

Para a aula no laboratório, é muito importante que o professor analise previamente o objeto visando antever as dúvidas dos alunos. A navegação dentro do objeto é seqüencial e dependerá da capacidade de realização de cada atividade pelos alunos, com as instruções que lhe são

fornecidas. Os alunos podem utilizar lápis e papel (caderno) para suas anotações e é recomendável que as atividades sejam realizadas em duplas, para facilitar a discussão.

Material necessário

Sugerimos que esteja disponível no laboratório um quadro negro ou branco para que o professor possa dar explicações eventuais sobre as atividades desenvolvidas.

Requerimentos técnicos

O programa para visualização é o plugin Flash em navegador na Web (Explorer, Mozila ou Nestcape). A versão em CD e a disponível na página do Rived é executável e não exige instalação de outros programas.

Durante a atividade

Caso o professor prefira, ele pode utilizar as atividades apresentadas no objeto de aprendizagem “ Pum no Elevador” para passar os conceitos básicos relacionados ao tema, em substituição a aula ministrada em sala de aula. Neste caso, o professor deve verificar antecipadamente os momentos estratégicos (pontos de parada) que considerar conveniente, para que os alunos acompanhem sua explanação.

Ao longo do OA, foram introduzidos alguns “pontos de parada” onde sugere-se que o alunos consultem o professor caso estejam com dúvidas ou retornem às atividades anteriores para refazê-las. O professor poderá utilizar estes momentos para verificar a compreensão dos alunos sobre os conceitos passados, sanar dúvidas, fazer comentários complementares, etc.

Depois da atividade

Algumas das atividades propostas no objeto de aprendizagem podem ser repetidas em uma laboratório de ciências ou eventualmente, numa bancada, ou em sala de aula.

Questões para discussão

Algumas concepções errôneas, de modo geral de senso comum, podem surgir durante a discussão sobre difusão:

Avaliação

Além das atividades avaliativas pré-definidas pelo professor, do acompanhamento do desempenho nas atividades propostas neste objeto sugerimos a utilização do objeto “Queimando os neurônios” um jogo de perguntas que versa sob os temas difusão, osmose e transporte ativo.

Atividades complementares

O objeto de aprendizagem “Aprendendo por Osmose Elevador” foi desenvolvido visando apresentar os conceitos relacionados a osmose e o OA “Nadando Contra a Corrente” visando trabalhar os conceitos relacionados ao transporte ativo. Esses objetos de aprendizagem complementam este OA.

Após a utilização dos três OA citados acima, sugere-se, com atividade para testar os conhecimentos dos alunos sobre o tema, utilizar o jogo "Queimando Neurônios".

Mapa Conceitual sobre Osmose e Difusão

Webliografia (referências na Web)

Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., Heller, H.G. Vida – A Ciência da Biologia. 6ª ed. Ed,. Artmed. 2002

http://www.bdc.ib.unicamp.br/lte/visualizar_material.php?id_material=501 flash sobre hematose, é necessário o cadastramento do professor no site

http://br.youtube.com/watch?v=JN5YahJV72I difusão de permaganato de potássio em água fria e água quente.http://br.youtube.com/watch?v=s0p1ztrbXPY animação sobre transporte passivo, em inglês.http://br.youtube.com/watch?v=Qqsf_UJcfBc animação sobre o modelo de mosaico fluido, em inglês.