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27/08/2015 1 O universo e sua composição fundamental Cursos de Ciências Biológicas e Medicina Veterinária Biofísica Profa. Sílvia Oliveira Biofisica • A ciência que usa técnicas e métodos físicos para estudo de problemas biológicos. Diversas técnicas desenvolvidas pelos físicos são de grande utilidade para o estudo de problemas biológicos. Todos os tipos de microscopia, ótica e eletrônica. Técnicas de difração de raios X e ressonância magnética nuclear e diversas técnicas de espectroscopia. Do ponto de vista metodológico, a abordagem de problemas biológicos, na escala molecular, precisa de conhecimentos de mecânica quântica. A abordagem da termodinâmica e da física estatística ajuda a entender os fundamentos das trocas energéticas em sistemas biológicos. A presente disciplina apresentará as bases físicas de diversos fenômenos biológicos, tais como, impulsos nervosos, contração muscular, visão e audição, bem como apresentará os principais conceitos físicos para o entendimento de algumas técnicas relevantes para o estudo da biofísica. Muitos dos fenômenos biológicos são explicados hoje ao nível molecular, uma introdução às bases físicas das estruturas de macromoléculas biológicas será apresentada na disciplina. • Fenômenos elétricos na célula, potencial de repouso, potencial de ação, propagação do potencial de ação, neurônio, sinapses, canais iônicos, estrutura molecular de canais iônicos, estrutura da membrana; • Contração muscular, estrutura do sarcômero, junção neuromuscular, actina, miosina, tropomiosina, troponina, mecanismo da contração muscular; • Biofísica da visão e biofísica da audição; • Cristalografia e ressonância magnética nuclear; • Forças que estabilizam a estrutura de macromoléculas biológicas; • Modelos atômicos; • Espectroscopia; • Radiações Biofísica é o estudo da matéria, energia espaço e tempo nos sistemas biológicos • Matéria: pelos objetos, corpos, alimentos. • Energia: pelo calor, luz, som e pelo trabalho físico. • Espaço: pelas distâncias, áreas e volume dos objetos. • Tempo: pela sucessão dos dias e das noites, pela espera dos acontecimentos e pela duração da vida. • Grandeza Física é tudo aquilo que pode ser medido e associado um valor numérico e a uma unidade. Exemplos: tempo, comprimento, velocidade, aceleração, força, energia, trabalho, temperatura, pressão. • As grandezas físicas estão relacionadas aos rítmos biológicos circadianos, por ex. ritmos da termorregulação, ritmos no sistema respiratório e rítmos no sistema cardiovascular. 27/08/2015 2 Os seres vivos e a composição do universo • São compostos de matéria (Massa) • Utilizam e produzem energia • Ocupam lugar no espaço próprio e • Vivem na dimensão Tempo. Na vida comum, o tempo pode ser avaliado por qualquer fenômeno periódico como os batimentos cardíacos ou as estações do ano. Aplicações das grandezas • MASSA: Medida da quantidade de matéria de um ser vivo. Sob ação da gravidade exerce uma força que é o peso corporal. • ÁREA e Volume: superfície corporal a relação massa/ volume é a densidade quantidade de matéria existente na unidade de volume de um corpo. Velocidade : espaço percorrido /pelo tempo decorrido • OS SERES VIVOS, SUAS PARTES (MEMBROS, ÓRGÃOS, SANGUE ETC. ESTÃO EM CONSTANTE MOVIMENTOS. • Força: massa x aceleração (mudança da velocidade em função do tempo) • Pressão: P =força /área • Viscosidade: atrito interno visível no escoamento de um líquido. (representada pela letra grega etc.) • Tensão superficial: força que deve ser feita para a penetração de objetos em uma superfície líquida (sigma). • Temperatura é medida da intensidade da energia térmica (ET ) e calor é a quantidade de E T . Frequência • Fenômenos biológicos repetitivos em função do tempo. Unidade de medida é o Hertz (um evento por segundo). • As grandezas físicas estão relacionadas aos rítmos biológicos circadianos por ex. ritmos da termorregulação, ritmos no sistema respiratório e rítmos no sistema cardiovascular. Tensão superficial • Tensão superficial: força que deve ser feita para a penetração de objetos em uma superfície líquida. • Pressão : P =força /área 27/08/2015 3 • Grandeza escalar é uma grandeza que é determinada apenas por um valor numérico chamado de módulo. Por exemplo, um carro se move a 100 km / h. Nesse caso, o movimento do carro é tratado como Grandeza Escalar. Não dizemos COMO ele está se movimentando • A temperatura, área, volume, são também grandezas escalares. Biofísica de Membranas Profa. Sílvia Oliveira Universidade da Região da Campanha Cursos de Ciências Biológicas e Medicina Veterinária Biofísica Membrana celular • Estrutura elástica que circunda toda célula • Estrutura – Camada lipoproteíca – Barreira à passagem da água e solutos hidrosolúveis (camada lipídica) – Proteínas: “Poros” • Membrana separa o líquido intracelular no interior da célula do líquido extracelular 15 Permeabilidade Seletiva • A principal função da membrana celular é manter, de forma seletiva, moléculas tão diversas como proteínas e pequenos solutos, no interior da célula. Assim, a membrana funciona de forma eficiente para regular seletivamente sua permeabilidade. A composição da membrana celular tem sido estudada de forma intensa, a partir do uso de diversas técnicas físicas e químicas, discutiremos a seguir a evolução dos principais modelos da membrana celular. • Modelo de Robertson (1957). O estudo de eritrócitos realizados por Gorter & Grendel em 1925 indicou que o conteúdo lipídico das membranas ocupava uma área duas vezes maior que a superfície da célula. • Tal observação levou à hipótese da bicamada lipídica, com a parte polar voltada para os meios intra e extra celular e a parte hidrofóbica voltada para o interior da membrana, escondida do solvente. • Posteriormente Schmitt e colaboradores, a partir de estudos de polarização da luz, propuseram que eritrócitos apresentavam lipídios perpendiculares ao plano da membrana, como espera-se de uma bicamada • Outros cientistas propuseram a presença de proteínas nas membranas (Danielli & Davson, 1935), com a participação protéica estendendo-se até 60 % da membrana. Baseado nessas informações Robertson (1957, 1981) propôs que as proteínas estivessem distribuídas sobre a superfície da membrana. • O modelo de Robertson era coerente com a informação sobre a presença de proteínas nas membranas, bem como com a presença da bicamada lipídica, contudo falhava ao colocar proteínas globulares na superfície da membrana. A presença de uma camada de proteína na membrana formava uma blindagem na superfície da membrana, o que impossibilita a comunicação entre os meios intra e extra-celular. 27/08/2015 4 • Modelo de Stein & Danielli. Esse modelo propõe a presença de um canal transmembrana composto por proteínas, o que permite comunicação entre os meios intra e extra celular, aumentando a permeabilidade da membrana celular. Nesse modelo toda a membrana é revestida por proteínas Stein & Danielli (1956). O principal problema desse modelo é o envolvimento de toda a membrana celular por proteínas, não há contato para porção polar da bicamada lípídica com o solvente do meio extracelular, ou com o citoplasma, a bicamada lipídica fica blindada pela proteína. • Modelo de Benson. Nesse modelo a membrana é composta por uma matriz protéica com lipídios dispersos. O principal problema dessa proposta está na inexistência de canais transmembranas. • Modelo de Lenard & Singer. Esse modelo, mais realístico, prevê a presença de proteínas numa bicamada lipídica (Lenard & Singer, 1966), há previsão de proteínas transmembranas que atravessam a bicamadalipídica. • Modelo de mosaico fluido. Experimentos mais detalhados mostraram deficiências nos diversos modelos de membrana celular. Singer e Nicolson (1972) propuseram um modelo de membrana constituído de uma bicamada lipídica, onde encontram-se inseridas proteínas. Há dois tipos de proteínas inseridas na membrana, uma que atravessa toda a membrana, chamada proteína intrínseca, ou transmembrana. O segundo tipo de proteína localiza-se sobre a membrana, sendo encontrada tanto no exterior como voltada para o citoplasma. Esse segundo tipo de proteína é chamado extrínseca Esse modelo prevê a passagem seletiva de íons pelas proteínas intrínsecas, que são chamadas de canais ou bombas como veremos em detalhe no estudo do potencial de membrana. Outra característica desse modelo é liberdade de movimentação das proteína na bicamada. De acordo com características básicas do modelo, mosaicismo e difusão, previu-se a liberdade lateral e rotatória, assim como a distribuição aleatória de componentes moleculares na membrana. O modelo de mosaico fluido é usado até hoje, apesar de experimentos posteriores, terem deixado claro que a liberdade de movimentação das proteínas transmembranas e extrínsecas, não representa a realidade observada. Uma das características da membrana celular, não previstas no modelo de mosaico fluido, é que as proteínas apresentam uma distribuição não aleatória, há uma concentração de proteínas em regiões definidas na membrana, conhecidas como balsas lipídicas. Essas balsas lipídicas são pequenas da membrana, onde alguns lipídios • Um modelo para membrana celular mais realístico prevê além da clássica bicamada lipídica e as proteínas transmembranas e extrínsecas os seguintes aspectos: 1) Distribuição não aleatória das proteína na membrana. O modelo original de mosaico fluido prevê uma distribuição aleatórias das proteína na bicamada lipídica. 2)Contatos moleculares quase permanentes. 3) Domínios de membrana: difusão limitada, reorganização dinâmica. 4) Plataformas lipídicas. 5) Proteínas são importantes elementos estruturais. 6) Estruturação dinâmica 27/08/2015 5 Composição Lipídica da Membrana Celular • Há três tipos de lipídios na membrana celular animal, segundo estudos de Rouser e colaboradores de 1968. • 1) Esteróides colesterol • 2) Fosfolipídios Esfingomielina Fosfatidilcolina Fosfatidiletanoamina fosfatidilserina Lecitina • 3) Glicolipídios • Biomembranas são baseadas principalmente em lipídios, com predominância de fosfolipídeos. A estrutura química geral de uma molécula de fosfolipídio é mostrada na ao lado. Essa molécula é basicamente um glicerol, sobre a qual foram atachadas as cadeias de ácidos graxos (R1 e R2), via ligações do tipo éster, ao fosfato pode-se ligar qualquer molécula, designada na figura a por X. Composição Lipídica da Membrana Celular Composição Lipídica da Membrana Celular • Um dos ácidos graxos típicos, encontrados nos fosfolipídios, é chamado ácido palmítico. A molécula de ácido palmítico apresenta 16 carbonos e 31 hidrogênios. Esse ácido graxo é dito saturado, pois apresenta o maior número de possível de hidrogênios. A presença de ligações duplas na cadeia de ácido graxo indica que o mesmo é não-saturado. As duas cadeias R1 e R2 não precisam ser homogêneas, ou seja, podem apresentar cadeias de tamanhos distintos. • Nos fosfolipídios uma parte de molécula é polar, a cabeça hidrofílica, e a parte não-polar, composta pelas duas cadeias de ácidos graxos. O diagrama esquemático abaixo ilustra uma molécula de fosfolipídio. Moléculas que apresentam parte polar e parte hidrofóbica são chamadas anfipáticas. Cell membrane 29 Estruturas Básicas • Poros ou canais – Canais de Na+ etc. • Zonas de difusão facilitada – Alta concentração de moléculas de mesma espécie • Ex: Região para lípides tem alta concentração de moléculas lipídicas – Sistema imune →Permeando Ag-Ac – Hormônios esteróides 30 27/08/2015 6 Estruturas Básicas � Receptores � Substância se liga e causa uma série de processos celulares ▪ Ex. Receptor para insulina, Glucagon ▪ Hormônios protéicos, adrenalina, acetilcolina ▪ Calmodulina: Ca+2 ▪ Atropina se liga aos receptores muscarínicos da acetilcolina e bloqueia os efeitos da Ach. � Operadores � Transporte de substâncias em sentido único � Transporte ativo 31 Transporte através da membrana • Difusão – Movimento ao acaso de substâncias, causado pela energia cinética normal da matéria • Transporte ativo – Movimento de substâncias como resultado de processos químicos que transmitem energia para o movimento. 32 Difusão 33 Difusão, em função dos gradientes de concentração: conceito de equilíbrio dinâmico. Em I, os fluxos A → B > B → A ; em II, A → B = B → A: atingiu- se o equilíbrio dinâmico Diffusion: is random movement 34 Fatores que afetam a velocidade • Concentrações • Peso molecular • Distância • Área da seção • Temperatura 35 Transporte Passivo �� DifusãoDifusão SimplesSimples - Muitas substâncias penetram nas células ou delas saem por difusão passiva, isto é, como a distribuição do soluto tende a ser uniforme em todos os pontos do solvente, o soluto penetra na célula quando sua concentração é menor no interior celular do que no meio externo, e sai da célula no caso contrário. Neste processo não há consumo de energia. Ocorre a favor do gradiente. 36 27/08/2015 7 PASSAGEM ATRAVÉS DA MEMBRANA DIFUSÃO : PASSAGEM DE ÍONS SIMPLES FACILITADA ↓↓↓↓ ↓↓↓↓ SEM CARREADORES PROTEÍNA CARREADORA PERMEAVILIDADE SELETIVA COMPORTAS SUBSTÂNCIA DIÂMETRO PERMEABILIDADE MOLÉCULA DE AGUA 0,3 1,0 URÉIA 0,36 0,0006 ÍON CLORETO HIDRATADO 0,386 0,0000001 POTÁSSIO HIDRATADO 0,396 0,000000006 SÓDIO HIDRATADO 0,512 0,000000002 37 Transporte através das membranas � Difusão passiva � Ocorre através de um gradiente de concentração � Coeficiente de partição óleo/água � Lipossolubilidade e permeabilidade � Difusão facilitada � Sem gasto energético � Transporte ativo � Hidrólise de ATP � Gradiente eletroquímico � Pinocitose � Participação direta da membrana � Gasto de energia � Não necessita de transportadores Passivo Facilitado Ativo 38 Transporte Passivo • 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. 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 (proteínas transportadoras 39 Difusão facilitada 40 DIFUSÃO FACILITADA Fatores que influenciam: • Permeabilidade • Diferença de Concentração • Diferença de Pressão • Diferença de Potencial elétrico. Difusão Pelos poros • Dimensão dos poros • Efeito da diferença de concentração • Permeabilidade – Intensidade do transporte através da membrana para uma diferença de concentração determinada. • Carga elétrica dos íons sobre a capacidade de se difundir pelos poros da membrana – Canais de Na+ (canais revestidos por carga -) – Canais de K+ – Canais de H2O 42 27/08/2015 8 Transporte Passivo • Osmose – É o fenômeno de difusão em presença de uma membrana semipermeável. Nele, duas soluções de concentrações diferentes estão separadas por uma membrana que é permeável ao solvente e praticamente insolúvel ao soluto. Há, então, passagem do solvente de onde está em maior quantidade (solução hipotônica) para onde está em menor quantidade (solução hipertônica). 43 Osmose • Osmose – A água flui nos dois sentidos, (devidoa uma diferença de concentração) mantendo o volume constante da célula 44 Osmose • Ao invés, a célula vegetal é vulnerável aos ambientes hipertónicos. A saída da água contida no seu vacúolo, provoca uma diminuição do volume celular e, consequentemente, o afastamento da membrana plasmática relativamente à parece celular. Este fenómeno designa-se comumente por plasmólise 45 DeplasmóliseDeplasmólise PlasmólisePlasmólise Pressão osmótica • Força necessária para interromper a osmose 46 Pressão reversa 47 Influência da pressão osmótica 48 27/08/2015 9 Osmose para dentro da célula Osmose para fora da célula 49 Equilíbrio osmótico entre líq. Intracelular e extracelular 50 Hiper Hipo Equilíbrio • Célula colocada em meio hipotônico – Passagem da água, por osmose através da membrana celular • Aumento do volume intracelular (Inchaço) • Diminuição do volume extracelular • Diluição das substâncias dissolvidas no intracelular • Concentração aumentada das substâncias dissolvidas no líquido extracelular 51 Equilíbrio • Célula colocada em solução hipertônica – Passagem da água, por osmose, para fora da célula. • Diminuição do volume intracelular • Aumento do volume extracelular • Concentração do líquido intracelular • Diluição do líquido extracelular 52 Transporte Ativo • Transporte de substância contra um gradiente de concentração. • É a passagem de uma substância de um menos concentrado para um meio mais concentrado (contra o gradiente), que ocorre com gasto de energia • Utilização de um carreador • Proteínas 53 Indigestão e digestão de nutrientes pela célula • Endocitose: englobamento de materiais – Fagocitose: Matéria particulada • Bactéria • Outra célula • Partícula de tecido em degeneração – Pinocitose • Ingestão de quantidades diminutas de líquido extracelular e de substâncias nele dissolvidas. 54 27/08/2015 10 Transporte Ativo • Fagocitose: – É o nome dado ao processo pelo qual a célula, graças à formação de pseudópodos, engloba, no seu citoplasma, partículas sólidas. A fagocitose é um processo seletivo, conforme pode ser observado no exemplo da fagocitose de paramécios pelas amebas. Nos mamíferos, a fagocitose é feita por células especializadas na defesa do organismo, como os macrófagos. 55 56 Fagocitose �Células fagocíticas possuem carga eletronegativas (-) �Objetos que possuem carga eletronegativa são repelidos �Cargas eletropositivas são susceptíveis à fagocitose �Maioria dos objetos particulados normais do líquido extracelular possui carga negativa �Vírus, invasores: POSITIVOS Vesícula digestiva 57 Transporte Ativo • Pinocitose – É nome dado ao processo pelo qual a célula, graças à delgadas expansões do citoplasma, engloba gotículas de líquido. Formam-se assim vacúolos contendo líquido. Muitas células exibem esse fenômeno, como os macrófagos e as dos capilares sangüíneos. 58 59 Pinocitose Transporte Ativo 60Partículas sólidas Partículas líquidas 27/08/2015 11 BOMBA SÓDIO POTÁSSIO 61 Transporte Ativo • Bomba de NA+ e K+ Este tipo de transporte se dá, quando íons como o sódio (Na+) e o potássio (K+), tem que atravessar a membrana contra um gradiente de concentração. • Encontramos concentrações diferentes, dentro e fora da célula, para o sódio e o potássio. • Na maioria das células dos organismos superiores a concentração do sódio (Na+) é bem mais baixa dentro da célula do que fora desta. • O potássio (K+), apresenta situação inversa, a sua concentração é mais alta dentro da célula do que fora desta. 62 Transporte Ativo � Juntos esses dois receberam o nome de bomba de sódio e potássio. � Todo este mecanismo de transporte ativo que mantém tais distribuições iônicas é de suma importância para a transmissão do impulso transmissão do impulso nervoso.nervoso. 63 POTENCIAL DE AÇÃO • Descarga elétrica que percorre a membrana Conceitos Simples de Eletricidade • Diferença de potencial (Voltagem): Colocando-se eletrotodos dentro e fora de célula temos uma diferença de potencial de – 70 mV, ou seja, há um potencial negativo de 70 mV no interior da célula em relação ao meio externo. O instrumento usado para medir a diferença de potencial é o voltímetro Conceitos Simples de Eletricidade • Corrente elétrica (I): É o movimento de cargas elétricas em meios condutores, é medida em Ampères (A), o que equivale a 1 Coulomb/segundo, uma unidade relativamente grande para os propósitos da biofísica, assim normalmente trabalha-se com submúltiplos desta unidade física, tais como, miliampère (mA, 10-3 A), microampère (mA, 10-6), nanoampère (nA, 10-9) e picoampère (pA, 10-12A). As cargas para os fenômenos elétricos na membrana celular são íons, tais como, Na+,K+, Ca++ e Cl-. 27/08/2015 12 Comportamento Elétrico da Membrana Celular • Membrana como circuito RC. • A análise do comportamento elétrico da membrana celular permite traçarmos uma analogia com um circuito paralelo resistivo- capacitivo (RC). • C: Capacitância do capacitor, é a relação entre a quantidade de carga elétrica (Q) e a voltagem (V), sua unidade é o Farad (F). 1 F = 1 Coulomb/Volt. • R: Resistência elétrica, é a oposição à passagem da corrente elétrica, mede-se em Ohms (W) Resistência Elétrica das Membranas • Rigidez elétrica. Resistência elétrica é a oposição do meio à passagem da corrente elétrica, quanto maior a resistência elétrica, pior condutor é o meio. Dados experimentas sobre modelos de membrana artificiais apresentam resistência elétrica na faixa de 106 a 109 W.cm², esses valores excedem em muito aos observados para membranas celulares, que variam na faixa de 103 a 104 W.cm² . A inclusão de proteínas nas membranas artificiais reduzem consideravelmente a resistência elétrica das membranas artificiais, o que ressalta o papel das proteínas nos modelos de membranas celulares. Permeabilidade Elétrica das Membranas • Permeabilidade elétrica. Estudos realizados por Dean em 1941 indicaram que a membrana celular é permeável a íons como sódio e potássio, foram utilizados íons radioativos, que permitiram verificar a alta concentração de sódio e a baixa concentração de potássio no meio extracelular, quando comparado com o meio intracelular. A explicação de Dean para tal observação foi a seguite: “algum tipo de bomba possivelmente localizado na membrana que pode bombear sódio, o que é equivalente, na bomba de potássio”. A descoberta da bomba de sódio/potássio viria a confirmar a previsão de Dean. 27/08/2015 13 Bomba de Na+/K+ • Em 1955 Hodgkin e Keynes, realizando experimentos com axônio de sépia (Sepia officinalis), determinaram que havia transporte do íon de sódio do meio intracelular para o meio extracelular, às custas de energia metabólica. Os experimentos foram realizados em água do mar artificial, contendo o íon de sódio radioativo 24Na+ . No experimento havia estímulo do axônio de sépia, que elevava a concentração intracelular do sódio radioativo. Em seguida o axônio era lavado e mergulhado em água do mar, sem sódio radioativo. • O monitoramento da radioatividade indicava que havia passagem de sódio radioativo, do axônio para a água do mar. Bomba de Na+/K+ • O gráfico mostra os resultados do experimento de Caldwell e colaboradores de 1960. Nesse experimento é injetado ATP ao axônio de sépia, após a injeção de cianeto. O cianeto tem como efeito bloquear a cadeia respiratória. A injeção de ATP faz elevar o nível de sódio no meio extracelular. Os experimentos de Hodgkin & Keynes juntamente com os experimentos de Caldwell e colaboradores confirmaram a hipótese de Dean, sobre a existênciade um sistema que bombeava sódio para fora da célula, às custas de ATP. Esse sistema também bombeia potássio, para o interior da célula e é chamado bomba de Na+/K+ . Canal de Potássio em Ação 27/08/2015 14 Difusão de Íons por Canais Passivos Força Difusional FD Força Elérica FE número de partículas constituintes por mol de uma determinada substância 27/08/2015 15 As etapas sucessivas do potencial de ação Etapas: -Repouso: membrana polarizada; -Despolarização: grande aumento da permeabilidade ao sódio - Repolarização: sódio deixa de entrar na célula e aumenta permeabilidade de potássio - Retorno a condição de repouso 27/08/2015 16 27/08/2015 17 1) Explique detalhadamente o potencial de ação.
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