Resumo das aulas de biofísica 2015

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POTENCIAL DA MEMBRANA
   Podemos dizer que os seres vivos são máquinas que funcionam a base de eletricidade. Como a célula é a menor expressão se um ser vivo, logo é fácil observar diferenças de potenciais elétricos entre os lados da membrana celular. 
   Praticamente todas ás células do corpo, (com exceção de algumas raras células vegetais, o interior é sempre negativo e o exterior positivo) algumas células como as células nervosas e musculares, são excitáveis, isto é, capazes de auto gerar impulsos eletroquímicos em suas membranas e, na maioria dos casos, utilizar esses impulsos para a transmissão de sinais ao longo de membranas. 
   A origem desses potenciais é uma distribuição assimétrica de íons, especialmente de Na+, K+ , Cl- e HPO4-- .
   Os fluidos dentro e fora da célula são sempre neutros, isto é, a concentração de ânions (íons negativos) em qualquer local é sempre igual ao de cátions (íons positivos) não podendo haver acúmulo local de cargas elétricas nesse fluido.
   Podemos imaginar a membrana como um capacitor no qual as duas soluções condutoras estão separadas por uma delgada camada isolante, a membrana.
   As cargas elétricas em excesso, que provocam a formação de um potencial elétrico, se localizam em torno da membrana celular: a superfície interna da membrana é coberta pelo excesso de ânios(-), enquanto que, na superfície externa, há o mesmo potencial cátions(+) falta de elétrons. 
   O potencial de membrana existe sob duas formas principais: o potencial de repouso e o potencial de ação. 
   Potencial de Repouso: Esse potencial tem sua origem em um mecanismo simples, de alternância entre o transporte ativo e o transporte passivo de pequenos íons. As figuras representam as concentrações e o tipo de transporte de cada íon. 
    Fase 1- Os íons sódio (Na+) entram passivamente na célula, através do gradiente de concentração. 
    Fase 2 - A célula expulsa esses íons (Na+) ativamente, ao mesmo tempo que introduz, também ativamente, um íon potássio (K+) . 
    Fase 3 - O íon potássio (K+ ) tem grande mobilidade e volta passivamente, para o lado externo da membrana, conferindo-lhe carga positiva. Do lado interno, íons fosfato e especialmente proteínas aniônicas fornecem carga negativa. 
    O íon Cl- acompanha, por atração elétrica o íon Na+ , e diminui o potencial elétrico, ficando a célula polarizada. 
    Todas células possuem potencial de trans-membrana (repouso - 90 mV), que desaparece quando a célula morre. 
    Potencial de Ação: É uma variação brusca do potencial de membrana , provocada por estímulos externos. 
    Vários estímulos podem deflagrar o potencial de ação: como químicos, elétricos, eletromagnéticos, e até mecânicos. Há células especiais, auto-excitáveis, que geram ritmamente o potencial de ação. Essas céluLas são responsáveis pelo início dos movimentos repetitivos biológicos, como batimentos cardíacos e freqüência respiratória. 
    O potencial de ação de uma célula excitável dura apenas alguns milésimos de segundo, e pode ser dividido nas seguintes fazes: 
    1ª - Despolarização: Abertura dos canais de sódio, isso propicia um fluxo intenso de íons Na+ de fora para dentro da células, por um processo de difusão simples. 
   Como resultado do fenômeno, o líquido intracelular se carrega positivamente e a membrana passa a apresentar um potencial inverso daquele encontrado nas condições de repouso. (positivo no interior e negativo no seu exterior) 
   O potencial de membrana nesta fase é de aproximadamente +45mV. 
   2ª - Repolarização: 
   Durante este espaço de tempo, a permeabilidade aos íons sódio retorna ao normal e, simultaneamente, ocorre um aumento na permeabilidade aos íons potássio (saída), devido ao excesso de cargas positivas encontradas no interior da célula (maior concentração de potássio dentro da célula). 
    Já os íons sódio que estavam em grande quantidade no interior da célula, vão sendo transportados ativamente para o exterior, pela bomba de sódio-potássio. 
   Todo este processo faz com que o potencial da membrana celular volte a ser negativo. O potencial nesta fase passa a ser de aproximadamente de -95mV (pouco mais negativo que no potencial de repouso). 
   3ª - Repouso: É a fase em que a célula volta a situação anterior a excitação. Nesta fase a permeabilidade aos íons potássio retorna ao normal e a célula retorna as condições iniciais com potencial de membrana em torno de -90mV. 
   Este processo como um todo perdura por aproximadamente, 2 a 3 mili-segundos na grande maioria das células do corpo humano. Mas existe células excitáveis como por exemplo células do músculo cardíaco, cujo potencial de ação varia de 1,15 a 0,3 segundos, tais potenciais ocorrem na fase em que a célula está despolarizada. Esses potenciais são denominados Potenciais de Platô.
Potencial em células nervosas
As células nervosas (neurônio) possuem propriedades similares as outras células em muitos aspectos: Elas se alimentam, respiram, passam por processos de difusão e osmose, mas diferem em um aspecto importante, elas processam informação.
    Os neurônios não existem isoladamente, eles conectam-se uns aos outros formando as chamadas cadeias neuronais, as quais transmitem informações a outros neurônios ou músculos.
    Os neurônios são células independentes entre si, embora estejam conectados uns aos outros pelas chamadas sinapses. Cada neurônio é formado por um corpo central celular, onde se encontra o núcleo da célula, contendo sua informação genética. Dela partem numerosas ramificações, chamadas dendritos, que estão conectados aos outros neurônios vizinhos. Um desses dendritos, denominado axônio, é o prolongamento mais importante, encarregado de transmitir os impulsos nervosos. O axônio conta também com vários prolongamentos em sua terminação, através da qual se conecta com dendritos de outros neurônios ou com os músculos. Nesse último caso, um desses prolongamentos se alarga formando uma espécie de placa de contato, por meio da qual se transmite o impulso elétrico: É a placa motora, que transmite os impulsos de saída.
    Existem neurônios com diferentes funções como: Neurônio sensitivo, neurônio associativo e neurônio motor.
POTENCIAL DE MEMBRANA EM FIBRAS NERVOSAS
    O potencial de membrana das fibras nervosas de grande calibre, quando não é transmitido sinais nervosos, é de cerca de - 90mV. Isto é, o potencial no interior da fibra nervosa é de 90mV mais negativo que o potencial do líquido intersticial, por fora da fibra.
TRANSPORTE ATIVO DE SÓDIO E POTÁSSIO ATRAVÉS DA MEMBRANA NEURAL
    Todas as membranas celulares do corpo possuem uma potente bomba de sódio-potássio e que essa bomba, continuamente, bombeia sódio para o exterior e potássio para o interior da célula. Essa bomba é eletrogênica, pois mais cargas positivas são bombeadas para fora que para dentro (três íons sódio (Na+) para o exterior para cada dois íons potássio (K+) para o interior), deixando um déficiti efetivo de íons positivos no interior; isto é o mesmo que criar cargas negativas no interior da membrana celular.
    A bomba de sódio-potássio promove os gradientes de concentração para o sódio e o potássio através da membrana neural de repouso.
VAZAMENTO DE SÓDIO E POTÁSSIO ATRAVÉS DA MEMBRANA NEURAL
    A bicamada lipídica possui proteínas de canal em sua constituição, uma destas proteínas de canal, pela qual os íon sódio e potássio podem "vazar" por difusão simples, é denominada "canal de vazamento" para sódio e potássio. Vamos dar ênfase sobre o vazamento de potássio, porque, em média os canais são mais permeáveis ao potássio que ao sódio, cerca de 100 vezes mais. Isso é extremamente importante, levando em conta que a determinação do valor do potencial de repouso se deve em grande parte ao íon potássio.
POTENCIAL DE REPOUSO
    Os fatores importantes para o estabelecimento do potencial de membrana em repouso normal - 90mV são:
DIFUSÃO DE SÓDIO E POTÁSSIO
    Devidoa reduzida permeabilidade da membrana neural aos íons, causada pela diminuta difusão de íons sódio pelos canais de vazamento K+ /Na+ . A proporção entre os íons sódio do interior e do exterior é de 0,1 enquanto que a proporção passa o íon potássio é de 35 para 1, de modo intuitivo, pode-se ver que, a difusão do potássio terá contribuição muito maior para o potencial de membrana que a difusão de sódio. Na fibra nervosa a permeabilidade da membrana ao potássio é cerca de 100 vezes que para o sódio. O potencial interno da membrana obtido por este conjunto de fatores é de - 86mV.
    BOMBA DE SÓDIO POTÁSSIO
    A contribuição da bomba de sódio-potássio, como já foi colocado, ocorre o bombeamento contínuo de três íons sódio para o exterior, e dois íons potássio para para o interior da membrana. O fato de serem bombeados mais íons sódio para o exterior que potássio para o interior resulta em perda continuada de cargas positivas pelo interior da membrana, o que causa grau adicional de negatividade (-4mV), logo o potencial de membrana efetivo, com todos os fatores atuando ao mesmo tempo, é de -90mV.
RESUMINDO
    Os potenciais de difusão, causados pela difusão do sódio e principalmente do potássio produziriam um potencial de membrana na ordem de -86mV, e -4mV seriam resultado da contribuição da bomba eletrônica de sódio-potássio, produzindo potencial efetivo de membrana de -90mV.
    O potencial de membrana em repouso nas grandes fibras musculares esqueléticas é, aproximadamente, o mesmo que o das fibras nervosas mais calibrosas, em torno de -90mV. Contudo, nas fibras nervosas mais delgadas e nas fibras musculares, por exemplo, as do músculo liso, bem como muitos neurônios do sistema nervoso central, o potencial de membrana pode ser de apenas -40mV a -60mV, em vez de -90mV.
POTENCIAL DE AÇÃO NEURAL
    Os sinais neurais são transmitidos por meio de potenciais de ação, que são variações muito rápidas do potencial de membrana. Cada potencial de ação começa por modificação abrupta do potencial de repouso normal, para um potencial positivo e, em seguida retorna rapidamente para o potencial negativo. Para produzir um sinal neural, o potencial se desloca, ao longo da fibra nervosa, até atingir o seu término.
    Durante o período de repouso, antes do início do potencial de ação, a condutância do potássio é cerca de 50 a 100 vezes maior que o sódio. Isso causado pelo maior vazamento de íons potássio que de íons sódio pelos canais de "vazamento". Com o início do potencial de ação (através de um estímulo) o canal de sódio voltagem dependente ficam instantaneanemente ativados, permitindo um aumento de 500 vezes a condutância do sódio.(fase de despolarização). Em seguida, o processo de inativação fecha os canais de sódio dentro de fração de milisegundos. O inicio do potencial de ação também leva á ativação, pela voltagem, os canais de potássio, fazendo-os abrir em fração de milisegundos após a abertura dos canais de sódio (fase de repolarização). E ao término do potencial de ação, o retorno do potencial de membrana seu estado negativo faz com que os canais de os potássio se fechem, voltando ao seu estado original, o que só ocorre após breve retardo. (hiperpolarização -95mV).
CANAIS DE SÓDIO E POTÁSSIO VOLTAGEM DEPENDENTES
    O agente necessário para a produção da despolarização e da repolarização da membrana neural, durante o potencial de ação, é o canal de sódio voltagem-dependente. Contudo, o canal de potássio voltagem-dependente também tem participação importante ao aumentar a rapidez de despolarização da membrana. Esses dois canais voltagem-dependentes existem juntamente com a bomba de sódio-potássio e os canais de vazamento de sódio e potássio.
CANAL DE SÓDIO VOLTAGEM DEPENDENTE
    Esse canal possui duas "comportas", uma próxima à extremidade externa do canal, chamada de comporta de ativação, e outra próxima a extremidade interna, chamada de comporta de inativação. No potencial de repouso, quando o potencial da membrana é -90mV, a comporta de ativação fica fechada, o que impede a passagem se sódio para o interior da fibra. Por outro lado as comportas de inativação estão abertas.
ATIVAÇÃO DO CANAL DE SÓDIO
    Quando o potencial de membrana fica menos negativo, passando de -90mV para zero, ele passa por uma voltagem, entre -70 e -50mV, que provoca as alterações conformacionais da comporta de ativação, fazendo com que ela abra (estado ativado), durante este estado, os íons sódio podem jorrar por esses canais, aumentando a permeabilidade ao sódio da membrana por até 50 a 500 vezes.
    O aumento da voltagem que abre a comporta de ativação também fecha a comporta de inativação. Contudo, o fechamento da comporta de inativação só ocorre após alguns décimos de milésimos de segundo da abertura da comporta de ativação (processo lento de fechamento). A partir desse momento, o potencial de membrana começa a variar em direção ao valor normal do estado de repouso (processo de repolarização).
    Obs.: Não é possível nova abertura dos canais de sódio até que o potencial de membrana retorne a seu valor de repouso ou muito próximo a ele.
CANAL DE POTÁSSIO VOLTAGEM DEPENDENTE
Durante o estado de repouso, o canal de potássio fica fechado, como mostra a figura, e os íons são impedidos de passar por esse canal para o exterior. Quando o potencial de membrana começa a a aumentar, a partir de -90mV, em direção a zero, essa variação de voltagem provoca alteração conformacional abrindo o canal e permitindo o aumento da difusão do potássio por ele. Contudo, devido à lentidão com que esses canais de potássio se abrem, eles ficam abertos apenas a partir do momento em que os canais de sódio começam a ser inativados e, portanto, se fechando. Assim, a diminuição do influxo de sódio para a célula, com aumento simultâneo de efluxo de potássio, acelera de muito o processo de repolarização, levando, dentro de poucos décimos milésimos de segundo, à recuperação completa do potencial de membrana de repouso.
ANATOMIA FISIOLÓGICA DA FIBRA NERVOSA
    Os axônios das células nervosas apresentam-se envoltos por dobras únicas ou múltiplas de certas células, sendo o conjunto axônio e dobras envoltórias denominado neurofibra ou fibra nervosa. As células envolventes são oligodentrócitos (antigamente chamados de células de Schwann).
    Quando os axônios estão envolvidos por uma única dobra da célula envoltória, são denominados fibras nervosas (nervos) amielínicos. E quando a célula envoltória apresenta várias camadas enroladas em espiral ao redor do axônio, eles são denominados nervos mielínicos.
    Um tronco nervoso típico contém cerca de duas vezes mais fibras amielínicas do que mielínicas.
    Como já sabemos a parte central dessa fibra esta o axônio que representa a verdadeira membrana condutora. O interior do axônio é ocupado pelo axoplasma, que é o líquido intracelular bastante viscoso, circundando o axônio existe a bainha de mielina que, muitas vezes, é bem maior que o próprio axônio, e que a intervalos de cerca de 1 a 3mm, ao longo de toda a extensão do axônio (que em alguns casos pode atingir 1m de comprimento) é interrompida pelos nodos de Ranvier.
A bainha de mielina contém substâncias lipídica "esfingomielina". Essa substância é excelente isolante, capaz de diminuir o fluxo iônico através da membrana por cerca de 5000 vezes, ao mesmo tempo que reduz a capacitância da membrana em cerca de 50 vezes. Contudo, no ponto de junção entre duas células de Schwann sucessivas, ao longo do axônio, persiste pequena região não isolada, com cerca de 2 a 3 mm de extensão, por onde os íons podem fluir, com facilidade, do líquido extracelular para o interior do axônio. Essa região é o nodo de Ranvier.
SINAPSES INIBITÓRIAS E EXCITATÓRIAS
    A transmissão do impulso nervoso entre dois neurônios ou entre um neurônio e um fletor, como o músculo, é feito através de uma estrutura denominada sinapse A sinapse é uma espécie de relé elétrico. Existem vários tipos de sinapses. Em todasinapse há uma junção da parte terminal de um axônio de uma célula pré-sinaptica, com os dendritos de uma célula pós-sinaptica. A transmissão da informação na fibra pré para a pós-sinaptica é feita através de um mediador químico(na grande maioria das sinapses), ou através de contato elétrico (tipo especial de sinapse). Existem ainda sinapses mistas, onde há condução química e elétrica.
SINAPSE ELÉTRICA
    Na sinapse elétrica, o impulso que chega é rapidamente transmitido a fibra pós-sinaptica, com um mínimo período de latência.
SINAPSE QUÍMICA
        Nas sinapses onde a mediação do impulso é através da liberação de uma substância química, há sempre uma latência maior para o aparecimento do pulso pós-sinaptico. Essa latência pode chegar a 1,5ms, tendo um tempo mínimo de 0,5ms para saltar da fibra pré para a fibra pós-sinaptica.
    A substância liberada pela vesícula, o mediador químico, que é capaz de transmitir o impulso, chama-se geralmente de "neurotransmissor".
    A natureza do neurotransmissor determina se o impulso que chega na fibra pré-sinaptica vai passar (sinapse exciotatória),ou vai ser bloqueado(sinapse inibitória).
    Na sinapse excitatória, o potencial de ação chega a extremidade pré-sinaptica, e libera o neurotransmiossor das vesículas. Esse mediador liberado atravessa a fenda sinaptica e se localiza em receptores específicos, resultando em aumento da permeabilidade da membrana a íons sódio, especialmente. A penetração dos íons sódio Na+ despolariza a membrana pós-sinaptica, quando suficientemente intensa, inicia um potencial de ação que continua no mesmo sentido do anterior.
    Na sinapse inibitória o processo é semelhante, mas o neurotransmissor liberado aumenta a permeabilidade aos íons potássio K+ , especialmente ao íon cloro Cl- , que penetra na membrana pós-sinaptica, provocando uma hiperpolarização: o interior fica mais negativo, o exterior mais positivo. Assim o potencial de ação que chega não
RESUMINDO
Sinapses excitatórias: São sinapses onde a membrana pós-sináptica é despolarizada, como por exemplo as sinapses entre neurônios motores e o músculo esquelético.
Sinapses inibitórias: São sinapses onde há hiperpolarização da membrana pós-sináptica. Os neurotransmissores mais comuns em sinapses inibitórias de vertebrados são o ácido (-aminobutírico (GABA) e glicina. As células pós-sinápticas das sinapses inibitórias apresentam canais de cloro dependentes ligantes. Quando esses canais são ativados por um neurotransmissor, eles podem hiperpolarizar a membrana pós-sináptica. Assim há uma probabilidade menor de lançamento de um potencial de ação.
PPSE e PPSI
Os neurotransmissores que despolarizam a membrana pós-sináptica são excitatórios. Eles executam um potencial pós-sináptico excitatório (PPSE). Os neurotransmissores que hiperpolarizam a membrana pós-sináptica são inibitórios, eles executam um potencial pós-sináptico inibitório (PPSI). 
O neurônio realiza a soma dos potenciais pos-sinápticos inibitórios (PPSIs) e dos extatórios (PPSEs), caso a soma ultrapasse o potencial limiar, há lançamento de um potencial de ação. Esse somatório é realizado no cone de implantação. A membrana plasmática na região do cone de implantação não é coberta por células gliais e apresenta alta densidade de canais dependentes de voltagem. 
CONTRAÇÃO MUSCULAR
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Para quebrar a ligação da cabeça da miosina com a actina é necessário ATP, contudo a molécula de ATP não é necessária para a formação do complexo actina-miosina. Tal observação explica a razão do endurecimento dos músculos dos animais após a morte, situação conhecida como rigor mortis. A morte cessa a reposição da molécula de ATP, assim o complexo actina-miosina não pode ser quebrado.
RESUMO
O potencial de ação viaja axônio abaixo
Os canais de Ca2+ dependentes de voltagem abrem-se
 Exocitose de ACh
 Difusão de ACh na fenda sináptica 
 ACh liga-se ao receptor
 Abertura dos canais de Na+ (entrada) e K+ (saída)
 Aumento da probabilidade de início de um potencial de ação 
 O potencial de ação viaja ao longo da membrana
 O potencial de ação entra no retículo sarcoplasmático 
 O potencial de ação abre os canais de Ca2+ dependentes de voltagem
 Os íons de Ca2+ ligam-se aos filamentos, causando contração
TEORIA DO FILAMENTO DESLIZANTE
O PA causa a rápida liberação do íon Ca2+ no interior da célula
O íon Ca2+ liga-se à troponina
A troponina passa por uma mudança conformacional
Tal mudança movimenta a tropomiosina para fora da área de encaixe da miosina
Hidrólise do ATP (pela a ATPase da miosina), o que permite a formação do complexo actina-miosina
 A ligação da miosina com a actina
Os filamentos de actina deslizam sobre a miosina
Uma nova molécula de ATP permite a quebra do complexo actina-miosina. A nova molécula de ATP sofre hidrólise. O processo continua até que não haja mais Ca2+
RELAXAÇÃO
1.	Degradação da acetilcolina
2. 	Canais iônicos fecham-se
3. 	Repolarização da membrana
4. 	Diminuição da permeabilidade do retículo sarcoplasmático (rs) aos íons de Ca2+
5. 	Os íons de Ca2+ são bombeados de volta ao rs (processo lento com consumo de ATP)
6. Os íons de Ca2+ são retirados das moléculas de troponina C, que volta a conformação original
7. 	A tropomiosina retorna a cobrir a região do encaixe da actina
8. 	Quebram-se os complexos miosina-actina
9. 	O complexo miosina-ATP se reconstitui nas cabeças de miosina, pronto para um novo potencial de ação
A análise do modelo do complexo actina-miosina (Rayment & Holden, 1994) revela as bases moleculares da contração muscular. Esse modelo exibe a orientação espacial relativa do fragmento S1 da miosina, mostrando, claramente, que a fenda na miosina estende-se do sítio de ligação de ATP, até o sítio de ligação da actina. O modelo também indica que a cauda helicoidal do C-terminal do fragmento S1 da miosina, funciona com um braço de alavanca. A boa complentaridade de forma geométrica e carga elétrica, das estruturas da miosina e da actina, corroboram o modelo proposto para contração muscular.
BIOFÍSICA DA CIRCULAÇÃO
83 ml de sangue é ejetado em cada batida em cada ventrículo (= 165 ml)
¼ do sangue na pequena circulação;
¾ do sangue na grande circulação;
5l no total
1,2 litros na P.C. (pulmonar) 
3,5 litros na G.C. (sistêmica)
0,25 litros no coração
Pulso (energia mecânica) é diferente de corrente sangüínea (matéria em movimento).
P = F/A 
F – perda da força pelo átrio
A – aumento da área
A diferença entre a pressão venosa, a arterial é de 100 mmHg
1 atm – 760 mmHg ou 1033 em H2O
760 mmHg – 1033 em H2O
100mmHg – x
x = 136 em H2O – pressão hidrostática.
A diferença de pressão entre a cabeça e os pés de um indivíduo de 1,80 é de 180 cm H2O
Deitada, a pressão hidrostárica da pessoa é igual a do coração (136 em H2O)
Porque ainda existe pressão na artéria na diástole?