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1 INTRODUÇÃO À FISIOLOGIA / FISIOLOGIA CELULAR ◆ Introdução ◆ Homeostasia e sistemas de controlo ◆ Membrana plasmática e transporte de membrana ◆ Potenciais de membrana e excitabilidade celular ◆ Comunicação celular Pedro Monteiro (prm@ess.ipp.pt) POLITÉCNICO DO PORTO. ESCOLA SUPERIOR DE SAÚDE 2 INTRODUÇÃO À FISIOLOGIA FISIOLOGIA: ciência que estuda o funcionamento do corpo, desde as células até aos sistemas, e de que forma o organismo como um todo desempenha funções específicas essenciais à vida ◆ FISIOLOGIA HUMANA áâ FISIOLOGIA COMPARATIVA ò MEDICINA (Ex: Nobel em Fisiologia ou Medicina) INTERDISCIPLINARIDADE -anatomia -bioquímica -biofísica ◆ FISIOLOGIA FISIOPATOLOGIA Funções de um órgão Doenças que envolvam danos específicos nesse órgão 3 MÉTODO CIENTÍFICO ◆ ATRIBUTOS DO MÉTODO CIENTÍFICO: (1) - Confiança que o mundo natural é explicável; (2) - Descrições e explicações podem ser refutadas ou alteradas por outras observações; (3) - Humildade para aceitar que os factos por nós apresentados podem estar errados. ◆ FUNDAMENTOS DO MÉTODO CIENTÍFICO: (1) - Capacidade racional (2) - Honestidade (3) - Humildade ◆ FUNCIONAMENTO DO MÉTODO CIENTÍFICO: (1) - HIPÓTESE (Ex: exercício diminui o pulso de repouso) (2) - Experimentação ➔ análise resultados ➔ CONCLUSÕES Se hipótese é verdadeira Se hipótese é falsa (3) - Incorporação numa TEORIA ou nova HIPÓTESE CONDIÇÃO: Dados obtidos são reprodutíveis… 4 SISTEMAS DE CONTROLO Mecanismos de regulação: mantêm o ambiente interno constante Homeostasia: estado de relativa constância do ambiente interno do organismo .William Harvey (1578-1657): - demonstrou o funcionamento do coração e provou a circulação sanguínea (FISIOLOGIA c/o ciência experimental) .Claude Bernard (1813-1878): - propôs que o ambiente interno (millieu interieur) do organismo é constante, independentemente da alteração de condições externas .Walter Cannon (1871-1945): - no livro “The Wisdom of the Body” (1932) usou o termo homeostasia .Walter Cannon (1871-1945): - sugere que muitos dos mecanismos de regulação têm “apenas” uma função, a manutenção da homeostasia CONCEITO DE HOMEOSTASIA -Compreensão de porquê e como -Diagnóstico médico -funcionam os mecanismos de regulação Exemplos: -pressão arterial -temperatura corporal -frequência cardíaca 5 MECANISMOS DE RETROAÇÃO / ANTECIPAÇÃO ✸ Tipos de fatores que podem afetar a homeostasia a) Físicos (calor, ruído, luz); b) Químicos (alimentos, poluentes); c) Fisiológicos (tumores, funções anómalas); d) Microbiológicos (vírus, bactérias); e) Psicológicos (distúrbios emocionais ou mentais). Componentes 1. RECETOR: confere alterações da condição controlada ➨ informa o centro de controlo; 2. CENTRO DE CONTROLO: regula os valores dentro dos quais a condição controlada deve ser mantida, avalia os sinais enviados pelos recetores e, sempre que necessário, envia informa- ção aos efetores [ENCÉFALO / MEDULA]; 3. EFETOR: recebe a informação do centro de controlo e produz uma resposta adequada à manutenção da condição controlada em níveis normais [MÚSCULOS / GLÂNDULAS] Exemplos de condições controladas (mensuráveis quantitativamente): -pressão arterial; temperatura corporal; ventilação alveolar; glicemia, etc. Mecanismos de retroação / antecipação: conjunto de eventos nos quais o estado de uma condição do corpo é continuamente conferido, avaliado, modificado, reconferido, reavaliado, ... 6 ✸ RETROAÇÃO NEGATIVA A atividade dos efetores reverte o desvio da condição controlada (ex: controlo da glicemia, pressão arterial, temperatura corporal, PaCO2, etc.) -Homeostasia: estado de constância dinâmica Sudação Sudação Tremores Tremores -Efetores Antagonistas ➪ > eficiência de controlo ✸ RETROAÇÃO POSITIVA A atividade dos efetores/processos amplifica o desvio da condição controlada (ex: parto; coagulação sanguínea; influxo de Na+) ✸ ANTECIPAÇÃO (feedforward) Alterações da condição controlada são antecipadas; podendo ser o resultado de um processo de aprendizagem que permite controlar possíveis alterações profundas da mesma (ex: controlo temperatura corporal - termorrecetores periféricos; ➚ frequência cardíaca pré-exercício) 7 REGULAÇÃO DA PRESSÃO ARTERIAL da diminuição da ➚ Frequência cardíaca ò ➚ Pressão sanguínea impulsos nervosos impulsos nervososVia Eferente Estímulo desregula homeostasia através Pressão Sanguínea CENTRO DE CONTROLO Localizado no bolbo RECETORES Barorrecetores em vasos sanguíneos EFETOR Via Aferente Retorno à homeostasia quando a resposta dada pelo efetor aumenta a pressão arterial de regresso ao valor normal 8 REGULAÇÃO DA PRESSÃO ARTERIAL 9 REGULAÇÃO DO PARTO Nascimento ➯ interrupção da retroação positiva impulsos nervosos oxitocina Contrações uterinas promovem a Dilatação do colo do útero CENTRO DE CONTROLO Localizado no hipotálamo RECETORES Barorrecetores localizados no colo do útero EFETOR Via Aferente Contrações mais intensas e frequentes do miométrio Corpo do feto dilata ainda mais o colo útero ➚ dilatação do colo do útero ➯ ➚ secreção de oxitocina… REGULAÇÃO DO PARTO 10 11 ✸ Regulação nervosa e endócrina .Sistema Nervoso è impulsos nervosos è resposta rápida .Sistema Endócrino è hormonas è resposta “lenta” ✸ Regulação da secreção hormonal -A secreção de hormonas é, muitas vezes, inibida pelos seus próprios efeitos ê INIBIÇÃO POR RETROAÇÃO NEGATIVA ✸ Exemplo: homeostasia da glicemia 12 MEMBRANA PLASMÁTICA E TRANSPORTE DE MEMBRANA MODELO DO MOSAICO FLUIDO Mar de lípidos (fosfolípidos) onde flutuam diferentes tipos de “mosaicos” (proteínas) (50:50) w Dupla Camada Fosfolipídica .Fosfolípidos (75%) + colesterol (20%) + glicolípidos (5%) .Moléculas anfipáticas ➾ extremos polares orientados p/ exterior .Assimétrica (glicolípidos só no exterior) .Colesterol (pontes de H c/ a região polar de fosfolípidos e glicolípidos) w Glicocálice (...lípidos e ...proteínas) -assinatura molecular ➪ reconhecimento -adesão das células de um tecido -anticatalítico (proteção contra enzimas) -”hidratante” 13 w Fluidez das membranas .Ligações duplas + colesterol ➾ mobilidade + fluidez ➾ reparação de ruturas .Moléculas de lípidos trocam de local 10 6 vezes/min (na mesma camada fosfolipídica) .Colesterol: -temp. corporal ➾ fortalece a MP -temp. baixas ➾ aumenta a fluidez da MP .Fertilização in vitro, clonagem, etc. w Funções das proteínas de membrana A B C D E F A - Canais (seletivos) B - Transportadores C - Recetores D - Enzimas E - Identificação celular F - Proteínas de adesão w Organização das proteínas .Integrais (transmembranares ou não) + periféricas .Moléculas anfipáticas (proteínas integrais) .Glicoproteínas (2-60 monossacarídeos) 14 w Gradiente eletroquímico .Gradiente químico: LEC (>[Na + ], >[O2]) / citosol (>[K + ], >[CO2]) .Gradiente elétrico: superfície externa da membrana mais positiva (+) que a superfície interna (-) w Permeabilidade seletiva .Permeável: moléculas apolares e neutras (O2, CO2, esteroides) e água .Impermeável: moléculas polares e/ou com carga elétrica (ex: glucose, Na+) [Na+]o = 145 mM [Na+]i = 12 mM [12x] [K + ]o = 3,5 mM [K+]i = 160 mM [45x] [Ca2+]o = 2,5-5 mM [Ca2+]i = 0,1 µM [>103x] [Cl-]o = 115 mM [Cl-]i = 3,6 mM [30x] [Prot - ]o = 0,2 mM [Prot-]i = 4 mM [20x] 15 w DIFUSÃO SIMPLES Difusão: mistura aleatória das partículas dissolvidas em resultado da sua energia cinética Soluto mais concentrado Soluto menos concentrado Fluxo líquido (➨) Fluxo líquido (inexistente)F = Kp*A*(C0 – Ci) TRANSPORTE DE MEMBRANA 1) Não mediado (s/ transportadores) / Mediado (c/ transportadores) 2) Passivo (s/ consumo de energia) / Ativo (c/ consumo de energia) Transportes passivos: -Difusão simples [a) camada fosfolípidos; b) canais] -Osmose -Difusão facilitada Transportes ativos: -Transporte primário -Transporte secundário Transportes p/ vesículas: -Endocitose -Exocitose 16 FATORES QUEAFETAM A TAXA DE DIFUSÃO ➧ Amplitude do gradiente de concentração ➧ Permeabilidade da membrana ➧ Área superficial da membrana ➧ Massa da substância em difusão (EC=½mv2) ➧ Temperatura A) DIFUSÃO ATRAVÉS DA MEMBRANA (substâncias com Kp elevado) -Substâncias apolares (ex: O2; vitaminas A, E, D, K; ácidos gordos; esteroides) -Substâncias polares pequenas e neutras (ex: CO2; etanol; H2O) O2 B) DIFUSÃO POR CANAIS: -Iões (ex: Na+; K+; Cl-, H+, Ca2+) / H2O Seletividade depende: -diâmetro do canal (tamanho do ião) -superfícies polares e com carga das subunidades proteicas que formam o canal Compostos com carga, difundem-se de acordo com o gradiente electroquímico 17 EXEMPLO DA ESTRUTURA DE UM CANAL PROTEICO 18 Força a exercer p/ evitar a alteração de volume PRESSÃO OSMÓTICA: força que teria de ser exercida para evitar que o solvente (água) se mova para a área com maior concentração de soluto(s) > [soluto] ➪ > Pressão Osmótica (PO): -PO da água pura = 0 -1 g molécula/ião em 22,4 L de solvente, a 0ºC, “exerce” uma pressão de 1 atm -PO solução de 360 g/L glucose = 2 x PO solução de 180 g/L glucose 1) Difusão através da dupla camada de fosfolípidos 2) Difusão por canais proteicos (Aquaporinas) w OSMOSE Osmose: movimento das moléculas de solvente (H2O), através da membrana, para o compartimento onde é maior a concentração de soluto(s) ao(s) qual(is) a membrana é impermeável 19 MEDIDAS DA CONCENTRAÇÃO DE SOLUÇÕES Molaridade: 1 molar (M) = 1 mole soluto / 1 L solução Molalidade: 1 molal (m) = 1 mole soluto / 1 Kg solvente (H2O = 1 L a 4ºC) Osmolalidade: concentração de todas as partículas osmoticamente ativas / kg H2O (osmoles/kg H2O ou Osm) 0.9% NaCl Ex1: Osmolalidade solução c/ 1,0 m glucose (180 g/L) + 1,0 m frutose (180 g/L) = 2,0 Osm Ex2: Osmolalidade solução c/ 1,0 m NaCl (58,5 g/L) = 1,0 m Na+ + 1,0 m Cl- = 2,0 Osm QUANTIFICAÇÃO DA OSMOLALIDADE -1 mole soluto / L baixa o ponto de congelação da água pura para -1,86 ºC -1,0 m de glucose congela a -1,86 ºC, enquanto uma solução 1,0 m de NaCl congela a 2 x -1,86 ºC = -3,72 ºC -Plasma congela a -0,56 ºC ➪ osmolalidade do plasma ≃ 0,56/1,86 ≃ 0,3 Osm = 300 mOsm 20 TONICIDADE: pressão osmótica de uma solução relativamente ao plasma Osm solução 0,3 m glucose = Osm solução 0,15 m NaCl = Osm plasma = 300 mOsm REGULAÇÃO DA OSMOLALIDADE FILTRAÇÃO: processo de passagem forçada de um líquido pela membrana, em resultado de um gradiente pressão hidrostática -Moléculas mais pequenas que a albumina são “arrastadas” por gradiente de pressão (sanguínea), nos capilares 21 w TRANSPORTE ATIVO -Solutos polares ou c/ carga, transportados normal/ contra o gradiente de concentração ➪ gasto de energia Reabsorção de glucose nos túbulos renais Excreção de Ca2+ do interior das células ➪ [Ca2+] LEC ≃ 103-104 [Ca2+] LIC A) PRIMÁRIO -Na + , K + , Ca 2+ , H + , I - , Cl - -Fonte de energia: ATP w DIFUSÃO FACILITADA -Solutos polares, c/ carga ou c/ peso molecular elevado grandes (monossacarídeos, ureia, aminoácidos, vitaminas) Características do transporte: .Especificidade .Competição (ex: aminoácidos) .Transporte máximo ➩ Saturação Exercício físico ➩ inserção de GluT4 (fibras musculares) 22 ➢ BOMBA Na + /K + 1-Gradiente de Na + é usado no transporte ativo secundário 2-Atividade da bomba pode ser ajustada p/ regular a taxa metabólica 3-Gradientes de Na + e K + são usados para gerar impulsos eletroquímicos 4-Excreção de Na + ajuda a manter o equilíbrio entre a PO do LEC e LIC Contratransporte Cotransporte B) SECUNDÁRIO -Ca 2+ , H + ; glucose, aminoácidos -Fonte de energia: energia potencial do gradiente de concentração de Na + 23 TRANSPORTE DE SOLUTOS DEPENDENTE DE PROTEÍNAS PLASMÁTICAS (RESUMO) B) PINOCITOSE -Endocitose não seletiva de pequenas partículas de LEC -Solutos do LEC 24 w ENDOCITOSE / EXOCITOSE -Polipeptídeos e proteínas, assim como outras substâncias de elevado peso molecular 1) Endocitose [A) + B) + C)]: transporte de substâncias p/ o interior da célula numa vesícula formada a partir da MP 2) Exocitose: transporte de substâncias para o exterior da célula através da fusão de uma vesícula com a MP -Fonte de energia: ATP A) ENDOCITOSE MEDIADA POR RECETORES -Transferrina, vitaminas, LDLs, anticorpos, hormonas, outras macromoléculas -Transcitose D) EXOCITOSE -Neurotransmissores (neurónios), enzimas (células exócrinas) e hormonas (células endócrinas) ENDOCITOSE / EXOCITOSE Reciclagem da membrana (Ex: macrófagos reciclam MP em cada ½ hora) 25 Fagossoma Pseudópodes C) FAGOCITOSE -Endocitose de partículas sólidas muito grandes (bactérias, vírus, células envelhecidas ou mortas) -Fagócitos: neutrófilos, eosinófilos, monócitos -Secreções digestivas -Produção muco -Secreção de leite 26 TRANSPORTE EPITELIAL Membrana apical: voltada para o lúmen da estrutura Membrana basolateral: oposta à apical (geral/ adjacente a uma rede capilar) TRANSPORTE TRANSEPITELIAL DE NA+ TRANSPORTE TRANSEPITELIAL DA MAIOR PARTE DE SOLUTOS ORGÂNICOS 27 D. Secreção exócrina e endócrinaC. Absorção/reabsorção de H2O associada à movimentação de solutos 28 POTENCIAIS DE MEMBRANA E EXCITABILIDADE CELULAR Potencial de membrana (Vm): diferença de potencial entre as superfícies externa e interna da MP (<0,1V) (①) Presença de moléculas com carga negativa no interior da célula + (②) Permeabilidade seletiva da membrana + (③) Funcionamento das bombas Na+/K+ SUPERFÍCIE INTERNA É ELETRICAMENTE NEGATIVA (65-85 mV) RELATIVAMENTE À EXTERNA (①) - Aniões fixos na superfície interna (proteínas + fosfatos + ...) ➪ ➪ atração de catiões (K+; Na+; Ca2+) (③) - ➚ 3 Na+ e ➘ 2 K+ ➪ ajuda a manter as concentrações elevadas de Na+ (exterior) e K+ (interior) + promove a perda de cargas positivas na face interna da membrana (efeito eletrogénico � 3 mV) (②) - “Impermeável” a Na+ e muito permeável a K+ ➪ fluxo K+ é dos fatores que mais contribui p/ Vm ([K + ]o = 3,5 mEq/L; [K + ]i = 160 mEq/L) 29 ◆ POTENCIAIS DE EQUILÍBRIO E POTENCIAL DE REPOUSO ★ Potencial de equilíbrio (Ex) de um ião X é o potencial de membrana com uma magnitude que estabelece um fluxo, por gradiente elétrico, da mesma intensidade, mas em sentido inverso, ao fluxo criado pelo gradiente químico (de concentração), anulando o fluxo líquido desse ião Equação de Nernst: Ex = 61/z log ([X0]/[Xi]); (temperatura = 37 ºC) Ex - potencial de equilíbrio do ião X (mV); z - valência do ião; [Xo]/[Xi] - concentração extra/intracelular Ex = 61 z log[X 0] [Xi] POTENCIAL DE EQUILÍBRIO: K+ EK+ = -100 mV POTENCIAL DE EQUILÍBRIO: Na+ ENa+ = +65 mV EK+ = 61*log (3,5/160) = � -100 mV ENa+ = 61*log (145/12) = � +65 mV 30 ◆ POTENCIAL DE REPOUSO ★ Potencial de repouso (Em) das células encontra-se entre o potencial de equilíbrio do K+ (-100 mV) e o potencial de equilíbrio do Na + (+65 mV) [normalmente: -65 a -85 mV; neurónios: -70 mV] -O potencial de repouso constitui um potencial de atividade elétrica ao longo da membrana plasmática que é usado na comunicação entre células e cuja corrente é expressa pela Lei de Ohm: I = E/R [I - corrente; E - potencial elétrico (V); R - resistência] Efluxo relativamente elevado de K+ estabelece um EK+ de -100 mV Influxo relativamente baixo de Na+ neutraliza parte do potencial criado pelo K+ Não difusão de A- através da membrana Potencial de repouso = -70 mV 31 ◆ POTENCIAIS GRADUADOS E POTENCIAL DE AÇÃO ■ Potencial de Ação (PA): inversão do Em; comunicação a longa distância ■ Potencial Local (PL): alteração graduada do Em; comunicação a curta distância CANAIS IÓNICOS ➊ ➋ ➌ CANAL C/ PORTÃO MECÂNICO Abertura do canal CANAL COM PORTÃO DE VOLTAGEM (CPV) CANAL COM PORTÃO DE LIGANTE (CPL) Alteração do Em Estímulo mecânico (pressão, vibração) Estímulo químico (hormona; neurotransmissor) 32 A. POTENCIAL GRADUADO OU LOCAL (PL) PL: alteração graduada do Em gerada quando abrem ou fecham canais com portão de ligante oumecânicos -Potencial local hiperpolarizante: .face interna da membrana torna-se mais – .estímulo inibitório -Potencial local despolarizante: .face interna da membrana torna-se mais + .estímulo excitatório TIPOS DE POTENCIAIS LOCAIS -Potenciais de recetor (recetores) -Potenciais sináticos (neurónios) -Potenciais de pacemaker (fibras mm. cardíacas) -Potencial de placa (fibras mm. esqueléticas) 33 PA: inversão Em gerada quando abrem canais, geralmente de Na+, com portão de voltagem ◆ Despolarização: .abrem de CPV p/ Na+ ➪ entrada de Na+ para o interior da célula ◆ Repolarização: .abrem de CPV p/ K+ ➪ saída de K+ para o exterior da célula .inativação / fecho dos CPV para Na+ ◆ Hiperpolarização: .canais K+ ainda abertos ➪ potencial de membrana mais negativo que Em .fecho dos CPV para K+ ✚ ATPase Na+/K+ ➪ potencial de repouso ◆ Período refratário: -ABSOLUTO: não pode ser gerado um novo PA, porque os CPV para Na + estão abertos ou inativos -RELATIVO: pode ser gerado um novo PA, mas apenas com um estímulo mais intenso que o limiar -Dependendo do Æ do axónio, PA tem a duração de 0,4 a 4 mseg ➧ neurónios geram PA entre 1000 a 250 Hz Limiar (~15 mV) Inversão da polarização Potencial de repouso B. POTENCIAL DE AÇÃO (PA) 34 ALTERAÇÕES DE PERMEBILIDADE E FLUXO DE IÕES DURANTE O POTENCIAL DE AÇÃO 35 POTENCIAL DE AÇÃO (Resumo) Aberto Inativo Fechado MEMBRANA POLARIZADA MEMBRANA DESPOLARIZADA Potencial de membrana (mV) Músculo cardíaco Neurónio motor Músculo esquelético P ot e n ci al m e m b ra n a (m V ) 35 36 COMUNICAÇÃO CELULAR MENSAGEIROS QUÍMICOS (Hormonas, neurotransmissores ou agentes parácrinos/autócrinos) NOTA: Existem outras formas de comunicação intercelular que não envolvem a secreção de agentes químicos, por exemplo a comunicação por junções de hiato ou através de moléculas da membrana plasmática 37 RECETORES Recetores reconhecem um sinal específico (químico, elétrico, mecânico) e descodificam-no numa série de instruções bioquímicas que resultam numa resposta ao sinal detetado R EC ET O R D A A D R EN A LI N A Local de fosforilação GLOSSÁRIO DE TERMOS ASSOCIADOS A RECETORES Proteína específica na membrana ou interior da célula-alvo com o qual o mensageiro químico interage, induzindo uma resposta biológica dessa célulaRecetor Resposta aumentada de uma célula/tecido em resultado da regulação por excessoHipersensibilidade Aumento do n.º de recetores de uma célula/tecido em resposta a uma concentração extracelular continuamente baixa do mensageiro químicoRegulação por excesso Diminuição do n.º de recetores de uma célula/tecido em resposta a uma concentração extracelular continuamente muito elevada do mensageiro químicoRegulação por défice Molécula que se liga ao recetor e desencadeia a resposta da célula; geralmente é uma droga que mimetiza a ação do mensageiro químico normalAgonista Molécula que compete pelo recetor com o mensageiro químico normal. Embora se ligue ao recetor, não desencadeia a resposta da célulaAntagonista Capacidade de diferentes moléculas estruturalmente muito semelhantes se ligarem ao mesmo recetorCompetição “Força” com que um mensageiro químico se liga a um recetorAfinidade Grau de ocupação do recetor pelo mensageiro: totalmente (100%) saturado, 50% saturado, ...Saturação Capacidade do recetor para se ligar apenas a um tipo ou limitado número de mensageiros químicos estruturalmente semelhantesEspecificidade ESPECIFICIDADE DOS RECETORES 38 VIAS DE TRANSDUÇÃO DO SINAL 1 - RECETORES INTRACELULARES MENSAGEIROS HIDRÓFOBOS -Hormonas esteroides (ex: E2, T, …) -Hormonas da tiroide (T3 e T4) -Calcitriol (1,25-dihidroxivitamina D3) 2 - RECETORES DE MEMBRANA 2.1-Ionotrópico NEUROTRANSMISSORES: -ACh [nicotínicos] -Glutamato [NMDA] -Glicina + GABA [GABAA] -Serotonina [5-HT3] 2.4-Ativador cinases (JAKs) 2.2-Metabotrópico (associado a proteínas G) Mensageiros secundários: -AMPc / DAG ➨➚ Cinases -IP3➨➚ [Ca2+]i 2.3-Enzimático 38 39 2.2.1 - SISTEMA ADENILCICLASE - AMPc Efeitos do AMPcAmplificação no sistema adenilciclase-AMPc 40 PIP2 – bifosfato de fosfatidilinositol 2.2.2 - SISTEMA FOSFOLIPASE C - DIACILGLICEROL (DAG) / TRIFOSFATO DE INOSITOL (IP3) 41 O Ca2+ como segundo mensageiro Fatores de transcrição
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