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O GUYTON EM RESUMO FISIOLOGIA ponto-a-ponto 2012/2013 Autores: • Afonso Sousa • Ana Esteves • Ana Marta Magalhães • André Faria • Carina Silvestre • Catarina Pereira • Cristiana Sequeira • Cristiana Miguel • Filipe Godinho • Jéssica Chaves • João Coelho • Margarida Ferreira • Maria Cunha • Maria Inês Alexandre • Raquel Lalanda 2 Todas as imagens desta sebenta são: © Elsevier, Guyton & Hall: Textbook of Medical Physiology 12E – www.studentconsult.com 3 Índice • Unidade II – Fisiologia da membrana, nervo e músculo – pág. 6 – Cristiana Sequeira e João Coelho o Capítulo 4 – Transporte de substâncias através da membrana celular – pág, 6 o Capítulo 5 – Potenciais de membrana e potenciais de acção – pág. 9 o Capítulo 6 – Contracção do músculo esquelético – pág. 14 o Capítulo 7 – Excitação do músculo esquelético: transmissãoo neuromuscular e acoplamento excitação-‐contracção – pág. 19 o Capítulo 8 – Excitação e contracção do músculo liso – pág. 22 • Unidade III – Fisiologia do coração – pág. 25 – João Coelho e Maria Inês Alexandre o Capítulo 9 – O músculo cardíaco, o coração como bomba – pág. 25 o Capítulo 10 – Excitação rítmica do coração – pág. 34 o Capítulo 11 – Electrocardiograma normal – pág. 40 o Capítulo 12 – Interpretação do ECG: análise vectorial – pág. 43 o Capítulo 13 – Arritmias cardíacas e ECG – pág. 49 • Unidade IV – Fisiologia da circulação – pág. 53 – Cristiana Sequeira e Maria Cunha o Capítulo 14 – Generalidades e biofísica – pág. 53 o Capítulo 15 – Distensibilidade vascular e funções dos sistemas arteriais e venosos – pág. 56 o Capítulo 16 – Microcirculação e sistema linfático – pág. 60 o Capítulo 17 – Controlo local e humoral do fluxo sanguíneo – pág. 63 o Capítulo 18 – Regulação da circulaçãoo pelo sistema nervoso – pág. 67 o Capítulo 19 – Papel dominante dos rins na regulação a longo prazo da pressão arterial e na hipertensão: o sistema integrado do controlo da pressão – pág. 71 o Capítulo 20 – Débito cardíaco, retorno venoso e regulação – pág. 75 o Capítulo 21 – Fluxo sanguíneo muscular e débito cardíaco durante o exercício físico; a circulaçãoo coronária e as cardiopatias isquémicas – pág. 78 o Capítulo 22 – Paragem cardíaca – pág. 82 o Capítulo 23 – Sons cardíacos; dinâmica dos defeitos valvulares e dos defeitos cardíacos congénitos – pág. 84 o Capítulo 24 – Choque circulatório – pág 87 • Unidade V – Fisiologia Renal – pág. 90 – Ana Marta Magalhães, Cristiana Miguel, Jéssica Chaves e Margarida Ferreira o Capítulo 25 – Fluidos intra e extracelulares e edema – pág. 90 o Capítulo 26 – Formação de urina I: filtração glomerular, fluxo sanguíneo renal e o seu controlo – pág. 96 o Capítulo 27 – Formação de urina II: reabsorçãoo tubular e secreçãoo – pág. 105 o Capítulo 28 – Regulação da osmolaridade e da concentração de sódio no líquido extracelular – pág. 112 o Capítulo 29 – Regulação renal de electrólitos e integração dos mecanismos renais para o controlo dos volumes de sangue e líquido extracelular – pág. 118 o Capítulo 30 – Regulação ácido-‐base – pág. 126 o Capítulo 31 – Diuréticos e doenças renais – pág. 138 • Unidade VI – Fisiologia do sangue – pág. 144 – João Coelho o Capítulo 32 – Eritrócitos, anemia e policitémia – pág. 144 o Capítulo 35 – Grupos sanguíneos, transfusões e transplantação – pág. 148 o Capítulo 36 – Hemostase e coagulação sanguínea – pág. 151 • Unidade VII – Fisiologia da respiração – pág. 155 – Raquel Lalanda o Capítulo 37 – Ventilação pulmonar – pág. 155 o Capítulo 38 – Circulação pulmonar, edema pulmonar e líquido pleural – pág. 159 o Capítulo 39 – Princípios físicos da troca gasosa; difusão de O2 e CO2 através da membrana respiratória – pág. 162 o Capítulo 40 – Transporte de O2 e CO2 na sangue e líquidos teciduais – pág. 165 o Capítulo 41 – Regulação da respiração – pág. 169 o Capítulo 42 – Insuficiência respiratória – fisiopatologia, diagnóstico e terapêutica com O2 – pág. 173 • Unidade VIII – Meios de altitude e profundidade – pág. 176 – Catarina Pereira o Capítulo 43 – Altitude e fisiologia do espaço – pág. 176 o Capítulo 44 – Profundidade e condições hiperbáricas – pág. 177 4 • Unidade IX – Sistema nervoso: princípios e fisiologia da sensibilidade – pág. 179 – João Coelho o Capítulo 45 – Organização do sistema nervoso, funções básicas das sinapses e neurotransmissores – pág. 179 o Capítulo 46 – Receptores sensitivos, circuitos neuronais e processamento da informação – pág. 182 o Capítulo 47 – Sensações somáticas: tacto e posição – pág. 184 o Capítulo 48 – Sensações somáticas: dor, cefaleias e temperatura – pág. 187 • Unidade X – Fisiologia dos sentidos – pág. 190 – João Coelho o Capítulo 49 – O olho: óptica e visão – pág. 190 o Capítulo 50 – Função receptora e neuronal da retina – pág. 192 o Capítulo 51 – Neurofisiologiacentral da visão – pág. 195 o Capítulo 52 – Audição – pág. 197 o Capítulo 53 – Os sentidos químicos: paladar e olfacto – pág. 200 • Unidade XI – Sistema nervoso: fisiologia motora e integrativa – pág. 202 – João Coelho o Capítulo 54 – Funções motoras da espinhal medula e reflexos – pág. 202 o Capítulo 55 – Controlo da função motora pelo encéfalo e tronco cerebral – pág. 205 o Capítulo 56 – O cerebelo e os núcleos basais no controlo motor – pág. 208 o Capítulo 57 – Córtex cerebral – funções intelectuais, aprendizagem e memória – pág. 212 o Capítulo 58 – Sistema límbico e hipotálamo – pág. 215 o Capítulo 59 – Sono e ondas cerebrais – pág. 218 • Unidade XII – Fisiologia gastrointestinal – pág. 220– André Faria o Capítulo 62 – Princípios gerais – pág. 220 o Capítulo 63 – Propulção e mistura no tubo alimentar – pág. 223 o Capítulo 64 – Funções secretoras do tubo alimentar – pág. 226 o Capítulo 65 – Digestão e absorção no tubo alimentar – pág. 233 o Capítulo 66 – Fisiologia das patologias gastrointestinais – pág. 236 • Unidade XIII – Fisiologia da temperatura – pág. 239 – Catarina Pereira o Capítulo 73 – Temperatura central, temperatura periférica e temperatura corporal – pág. 239 • Unidade XIV – Fisiologia do sistema endócrino – pág. 242 – Afonso Sousa, Ana Esteves e Carina Silvestre o Capítulo 74 – Introdução à endocrinologia – pág. 242 o Capítulo 75 – Hormonas hipofisárias e o seu controlo pelo hipotálamo – pág. 246 o Capítulo 76 – Hormonas tiroideias metabólicas – pág. 249 o Capítulo 77 – Hormonas supra-‐renais – pág. 254 o Capítulo 78 – Insulina, glucagon e diabetes – pág. 258 o Capítulo 79 – Hormona da paratiróide, calcitonina. Metabolismo do cálcio e do fosfato. Vitamina D, osso e dente – pág. 263 o Capítulo 80 – Funções reprodutivas e hormonais masculinas – pág. 268 o Capítulo 81 – Fisiologia feminina e hormonas femininas – pág. 273 o Capítulo 82 – Gravidez e lactação – pág. 279 o Capítulo 83 – Fisiologia fetal e neonatal – pág. 285 o Anexo – Tabela-‐resumo das hormonas – pág. 288 • Unidade XV – Fisiologia do exercício – pág. 289 – Catarina Pereira o Desgravada – Exercício físico e resposta – pág. 289 • Capítulo complementar de fisiologia da audição e equilíbrio – pág. – Filipe Godinho Índice por semestre Para os diversos semestres recomenda-‐se a leituras das unidades: -‐ 1º semestre: II e VI; -‐ 2º semestre: III, IV, V, VII e XII; -‐ 3º semestre: VIII, XIII, XIV e XV; -‐ 4º semestre: IX, X e XI. 5 Nota introdutória: Olá a todos, Findo o 2º ano do Mestrado Integrado em Medicina, apercebemo-‐nos que iríamos ter Fisiopatologia no 3º e que os nossos conhecimentos de Fisiologia andavam um pouco pelas ruas da amargura. Assim, insanos como somos, decidimos pegar na maravilhosa Bílbia a que chamam Guyton e usar alguns dias das nossas férias para fazer o resumo dos diversos capítulos. Assim, para todos aqueles para quem a Fisiologia dos semestres passados está um pouco esquecida, para todos os que não a chegaram a estudar bem e para todos os que ainda vão contactar pela primeira vez com esta disciplina, fica aqui esta sebenta, que esperamos sinceramente que seja útil. E agora a parte séria: É importante deixar claro desde o início que esta sebenta não substitui o livro de texto recomendado pela disciplina de Fisiologia, pois pode haver pontos que não foram colocados aqui e que são considerados importantes pela disciplina. Esta sebenta está organizada por unidades e capítulos tal como o livro por onde foi feita. O índice, para além de ter as unidades e capítulos por ordem de páginas, tem também um índice de aconselhamento de leitura de determinados capítulos de acordo com o semestre em que a matéria é leccionada. Para além disso, esta sebenta tem também como objectivo servir de revisão para os alunos do 3º ano, para uma melhor compreensão da disciplina de fisiopatologia. A todos desejamos um bom estudo, de uma das disciplinas essenciais para o conhecimento da Medicina. Qualquer erro encontrado é favor de contactar: jprc@campus.ul.pt Bom estudo! 6 Unidade II – Fisiologia da membrana, músculo e nervo Transporte de substâncias através da membrana celular Capítulo 4 A barreira lipídica não é miscível com os líquidos intracelulares e extracelulares, representa por isso, uma barreira à passagem da maioria das moléculas. Algumas moléculas atravessam esta membrana directamente, outras precisam de ser transportadas por proteínas de transporte. • H2O atravessa facilmente a bicamada lipídica, mas também pode ser por proteínas de transporte; • Os iões atravessam a membranalipídica muito lentamente, é necessário que sejam transportados por proteínas, devido à carga dos iões; • Quanto maior o diâmetro da molécula, menor é a velocidade de transporte (ex.: glicose); • Os canais proteicos são muito selectivos (forma, tamanho, …). Recorda que: Transporte activo: movimento associado a proteína, cujo transporte se faz contra o gradiente; Transporte passivo: movimento molecular da substância é feito à custa da energia de movimento normal da matéria. 7 O coeficiente de difusão é determinado pela Permeabilidade X Área de membrana. A velocidade com que uma substância se difunde para o interior é proporcional à concentração das suas moléculas no exterior. O transporte activo baseia-‐se no transporte de moléculas/iões contra o gradiente de concentração/pressão/eléctrico. Transporte activo primário: energia obtida através da degradação directa de ATP. A bomba de Na+/K+ é importante no controlo do volume celular, porque as proteínas intracelulares têm carga negativa e agregam os iões positivos em redor, se não se impedisse esta situação através da saída de Na+ a célula iria aumentar de volume pela entrada de água e poderia acabar por rebentar, também em auxílio desta situação a membrana é mais permeável a Na+ e a tendência da água é a sair. Esta bomba é considerada uma bomba electrogénica porque cria um potencial eléctrico através da membrana. Controlo da permeabilidade nos canais proteicos Dependentes de voltagem: a conformação do canal depende do potencial eléctrico (ex.: carga negaCva no exterior os canais de Na+ permanecem fechados) Dependentes de ligandos: outra molécula fixa-‐se à proteína o que prduz alteração conformacional e abertura do canal (ex.: canal de aceClcolina) Difusão facilitada (ex.: glicose, aminoácidos, ...) a substância não atravessa a membrana sem o auxílio, sem o auxílio de uma proteína carreadora, neste caso, a concentração da substância que se difunde tende para a velocidade máxima à aumenta a concentração. A molécula entra no canal, é fixada, ocorre alteração conformacional e o canal permanece aberto no lado oposto e esta é libertada. Permeabilidade da membrana (= intensidade efecCva de difusão) depende: • espessura da membrana • lipossolubilidade • nº de canais proteicos • temperatura (maior movimento térmico, logo aumenta em proporção directa) • peso molecular Bomba de Na+/K+ • Na + é transportado para fora e K+ para dentro; • estabelece potencial negaCvo na célula; • a proteína transportadora apresenta 3 locais de ligação para Na+ (protusão na porção interior) e 2 locais de ligação a K+ (porção exterior), na porção interna tb existe síCo de ligação da ATPase; • Quando 3 iões de Na+ se ligam na porção interior e 2 iões de K+ na porção interior e se cliva ATP, a proteína sofre uma mudança conformacional e o Na+ é expulso e K+ fica no interior. Bomba de Ca2+ • a concentração de Ca2+ no citoplasma é muito reduzida (cerca de 10000 x menor à concetração extracelular); • a bomba encontra-‐se disposta na membrana celular (transporta Ca2+ para o exterior) e na membrana de alguns organelos (re\culo sarcoplasmáCco, mitocôndria); • Existe saturação do mecanismo de transporte acCvo e a quanCdade de energia necessária para transportar uma substância relaciona-‐se com a concentração de substância envolvida no transporte. 8 No transporte activo secundário a energia de difusão de Na+ (p.exemplo: na bomba de Na+/K+) pode transportar outras substâncias em simultâneo – co-‐transporte. • Transporte através de camadas celulares • as células encontram-‐se unidas uma às outras na superfície luminal (impedindo que os iões se difundam livremente entre células); • H2O e Na+ entram para o interior de células, difundem-‐se no citoplasma e na membrana basolateral são transportados activamente (Na+) enquanto que a água sai porque se gerou um potencial de concentração; • Outras substâncias podem ser co-‐transportadas deste modo, como o Cl-‐ e a glicose. • por exemplo: glicose, aminoácidos (células epiteliais do intesCno); • proteína transportadora apresenta dois locais de ligação um para Na+ e um para a glicose/aa; • Existe um mecanismo de acoplamento mediado por uma proteína transportadora que depois de se ter ligado às duas moléculas altera a sua conformação e tanto o ião como a molécula a ser transportada são difundidas para o interior/exterior da célula. Co-‐transporte • Na+ / Ca2+ (sódio sai e cálcio entra) -‐ trata-‐se de um mecanismo adicional ao transporte efectuado pela bomba de Ca2+ ; • Na+/H+ é o exemplo no túbulo proximal, em que Na+ passa do lumen para as célulastubulares, regulando o H+ nos tecidos corporais. Contra-‐transporte 9 Potenciais de membrana e potenciais de acção Capítulo 5 A figura 5-‐1 mostra-‐nos a difusão de iões sem o transporte activo de Na+ e K+. Para uma concentração muito elevada de ião potássio no interior da membrana e tendo uma membrana permeável apenas a esse ião, ocorre difusão deste para o exterior da membrana – gradiente de concentração de K+. Existe por isso electronegatividade na parte interior e electropositividade na parte de fora. A existência de uma variação de potencial é suficiente para bloquear uma difusão adicional (apesar do gradiente de concentração). Semelhante raciocínio é aplicado para o Na+ mas desta vez o movimento do ião é para o exterior. A equação de Nernst é o potencial através da membrana que tem a capacidade de impedir a difusão do ião através da membrana em qualquer direcção. Baseia-‐se na proporção de ião dos dois lados da membrana, quanto maior for essa proporção, maior é a tendência do ião a se difundir, logo maior é o potencial de Nernst. Quando a membrana é permeável a dois iões é preciso ter em conta: -‐ Polaridade e carga eléctrica de cada ião; -‐ Permeabilidade da membrana para cada ião; -‐ Concentração dos respectivos iões dentro e fora. O cálculo pode ser feito recorrendo à relação de Goldman ou equação de Goldman-‐Hodgkin-‐Katz. Esta relação é válida para os iões de sódio, potássio e cloreto e está representada abaixo: Estes iões são os mais importantes no desenvolvimento de potenciais de membrana quer em fibras nervosas, quer em fibras musculares. É importante também referir que a importância de cada ião na determinação da voltagem é proporcional à permeabilidade do mesmo. O princípio da neutralidade eléctrica baseia-‐se no facto das cargas positivas e negativas se encontrarem distribuídas de igual modo nos líquidos extracelulares, fibras nervosas, excepto nas porções adjacentes à membrana. 10 A camada dipolos forma-‐se quando as cargas positivas se alinham ao longo da face exterior enquanto que na face interior se encontram os aniões. A contribuição do potássio (35:1; interior : exterior) cujo o potencial de difusão é – 94 mV. A contribuição do sódio (0,1; interior : exterior) apresenta um potencial de difusão de +61 mV. Através da equação de Goldman obtém-‐se um potencial interno de -‐86 mV. A contribuição adicional da bomba Na/K consiste na adição de -‐4mV para além do que é explicado pelo mecanismo de difusão e obtemos um potencial de -‐90 mV. (nota: nas fibras de menor dimensão o potencial é de -‐40 a -‐60 mV). • é uma bomba electrogénica; • mais cargas posiCvas são enviadas para o exterior (3 Na+ para fora/ 2 K+ para dentro). Bomba Na+ /K+ • Enquanto os eléctrodos se encontram fora da membrana o potencial registado é 0 mV (corresponde ao líquido extracelular); • Quando o eléctrodo é colocado no interior o potencial de membrana é 90 mV; • Um pequeno número de iões precisa ser transportado para gerar um potencial eléctrico. 11 Potencial de acção neuronal: são variações muito rápidas do potencial de membrana que começa com a mudança abrupta do potencial de repouso negativo para um potencial positivo e de seguida para um potencial negativo, apresenta as seguintes fases: Fase de Repouso • potencial de membrana em repouso antes que se inicie o potencial de acção; • a membrana está polarizada. Fase de Despolarização • membrana fica muito permeável aos iões de Na+ (entram); • aCngem-‐se valores próximos dos 0 mV. Fase de repolarização • os canais de Na+ fecham e os canais de K+ abrem mais do que o normal; • a rápida difusão de K+ para o exterior restaura o potencial de membrana negaCvo. • canal apresenta comporta de acCvação (extremidade externa) e comporta de inacCvação (extremidade interna); • a comporta de acCvação está fechada aos -‐ 90 mV e a comporta de inacCvação está aberta para esta mesma voltagem. Canal de Na + dependente de voltagem AcCvação do canal de Na+ • quando o potencial é um pouco menos negaCvo (entre -‐ 70 e -‐ 50 mV) ocorre alteração conformacional da comporta de acCvação -‐ estado acCvado -‐ o que faz com qu haja maior permeabilidade ao Na+ . InacCvação do canal de Na+ • alguns ms após a abertura da comporta de acCvação ocorre alteração conformacional da comporta de inacCvaçãoque faz com que o canal fique na posição fechada -‐ o potencial de repouso é reposto. Repolariz ação • a comporta de acCvação não se volta a abrir até que o potencial de membrana retorne até ao valor do potencial de membrana de repouso inicial. 12 O pós-‐potencial positivo (designada erradamente) sucede quando o potencial de membrana fica mais negativo do que o potencial de membrana em repouso. Isto acontece porque os canais de K+ permanecem abertos após o processo de repolarização de membrana e por isso há excesso de efluxo de K+. *Nota: quando existe um défice de Ca2+ os canais de Na+ também são activados por aumento pequeno do potencial de membrana acima do nível de repouso – fibra torna-‐se extremamente excitável – dispara espontaneamente sem estimulação. O limiar para gerar um potencial de acção é – 65 mV. O lento aumento do potencial interno da fibra nervosa exige um limiar de voltagem mais elevado (ou pode mesmo impedir o potencial de acção) porque as comportas de inactivação dos canais de sódio estão a funcionar – acomodação. A propagação do potencial de acção é feita pela entrada de cargas positivas (Na+) na zona despolarizada aumentam a voltagem na distância de 1 a 3 mm até um valor acima do limiar, por isso, nessas zonas os canais de Na+ são automaticamente activados, essas novas zonas despolarizadas geram novos circuitos locais de fluxo de corrente – impulsos nervosos. • no estado de repouso o canal está fechado; • quando o potencial de membrana vai aumentando até 0 mV ocorre alteração conformacional permCndo a difusão de K+ ; • só se abrem quando o canal de sódio está inacCvo; • a repolarização é feita pelo efluxo de potássio. Canal de K + dependente de voltagem Influências de outros iões no potencial de acção Aniões no interior (ex.: fosfatos e compostos sulfatados): não podem passa pelos canais e revelam-‐se a carga negaCva na falta de potássio e sódio. Ca2+ : é enviado do interior para o exterior -‐ bomba de Ca2+ e também existe canais de Ca2+ dependentes de voltagem de acCvação lenta (em maior nº no músculo liso e cardíaco) que são permeáveis ao cálcio e ao sódio*. Cl-‐ : a permeabilidade dos canais de vazamento não alteram muito o potencial de acção. Pequenas quanCdades de cloreto se difundem para o interior. potencial de membrana passa de -‐90 mV para 0 mV canais de sódio dependentes de voltagem abrem Na+ entra e o potencial de membrana aumenta Feedback Positivo (mais canais de sódio dependentes de voltagem abrem) Assim que todos os canais estão abertos ocorre inactivação deste e abertura de canais de potássio 13 A despolarização pode ser feita nos dois sentidos. O princípio do tudo ou nada consiste na origem de um potencial de acção num ponto de membrana o processo de despolarização irá propagar-‐se se as condições forem apropriadas. É necessário reestabelecer a diferença de concentração de Na+ e K+ é feito através da bomba Na/K que é um processo com metabolismo activo. Por vezes, a membrana não é repolarizada logo após a despolarização surgindo um plateau. Esta situação sucede em fibras musculares cardíacas, o que pode ser explicado porque o coração apresenta canais de Na+ rápidos e canais de Ca2+ lentos (responsáveis pelo plateau) e alguns canais de K+ são lentos que retardam o retorno ao potencial de membrana. A activação rítmica característica do músculo cardíaco (ritmo cardíaco), músculo liso (peristaltismo) e alguns neurónios do SNC (controlo rítmico da respiração). Para tal deve ser suficientemente permeável aos iões de Na+ (ou Na+ e Ca2+ pelos canais lentos de Ca2+), tendo um potencial de repouso de apenas entre -‐60 mV a -‐40 mV. Ocorre despolarização e repolarização alternadamente até que a excitação se torne rítmica autogerada. Nos troncos nervosos existem 2x mais fibras amielínicas (mais delgadas) do que fibras mielínicas (maior calibre). Uma fibra mielínica apresenta uma parte central, o axónio, uma membrana condutora, o axoplasma (líquido intracelular) e a bainha de mielina. A bainha de mielina são membranas de células de Schwann que circundam o axónio constituindo múltiplas camadas em que um dos constituintes é a esfingomielina. A esfingomielina é um bom isolante que diminui o fluxo iónico. Estas não são contínuas nos nódulos de Ranvier. A condução saltatória tem por base que nos nódulos de Ranvier se geram os potenciais de acção porque estes podem fluir com intensidade significativa através das bainhas de mielina. A corrente eléctrica flui pelo líquido extracelular e pelo axoplasma de nódulo em nódulo, deforma sequencial. (vantagens deste tipo de condução:) • Aumenta a velocidade de transmissão neural nas fibras mielinizadas; • Conserva energia do axónio (apenas os nódulos são despolarizados); • O excelente isolamento criado e reduz 50% a capacitância – o processo de repolarização ocorre com transferência de um pequeno número de iões rapidamente (poucos canais de K+ estão abertos). O período refractário consiste num novo potencial de acção NÃO pode ser produzido enquanto a membrana estiver despolarizada pelo potencial de acção anterior. Isto porque os canais de Na+ (ou Ca2+, ou ambos) estão inactivos e o estímulo não abre a comporta de inactivação. • Período refractário absoluto: mesmo após estímulo forte não há despolarização; • Período refractário relativo (após o anterior): após estímulos fortes existe excitação da fibra (canais de sódio não retomam da inactivação). Existem factores estabilizadores de membrana que diminuem a excitabilidade: 1. Alta concentração extracelular de Ca2+ (diminui permeabilidade de membrana); 2. Baixa concentração de K+ extracelular (também diminui a permeabilidade); 3. Anestésicos locais: procaína, tetracaína actuam sobre a componente de activação dos canais de Na+ dificultando a abertura e diminuindo por isso a excitabilidade. 14 Contracção do músculo esquelético Capítulo 6 O sarcolema é a membrana celular da fibra muscular, constituída por membrana celular e por revestimento externo polisacarídico que na extremidade se funde para formar uma fibra tendinosa a que se dá o nome de tendão. As miofibrilas constituem as fibras musculares (cada miofibrila: 1500 filamentos de miosina e 3000 filamentos de actina dispostos lado a lado). O entrecruzamento de filamentos de actina e miosina faz com que sejam observadas faixas claras (só com filamentos de actina) – faixas isotrópicas à luz polarizada. As faixas escuras (correspondem às extremidades dos filamentos de actina) – faixas anisotrópicas. As projecções laterais de filamentos de miosina correspondem a pontes cruzadas. O disco Z é o ponto no qual os filamentos de actina se encontram presos. O sarcómero é a zona da fibra muscular situada entre duas linhas/discos Z consecutivos. O sarcoplasma é a matriz que permite que as fibras musculares fiquem suspensas contém K+, Mg2+, fosfatos, enzimas. Entre as miofibrilas existem muitas mitocôndrias que são importantes na produção de ATP essenciais para a contracção muscular. O retículo sarcoplasmático também existe no sarcoplasma, quanto mais rápida é a contracção, maior é a dimensão deste. No mecanismo molecular verifica-‐se que nos estado de relaxamento, os filamentos de actina de dois discos Z se sobrepõem pouco, mas sobrepõem-‐se totalmente os filamentos de miosina. No estado de contracção, os filamentos de actina são tracionados para a zona média e estão mais sobrepostos e os discos Z foram puxados até à extremidade do filamento de miosina. Potencil do axónio chega às fibras musculares O axónio liberta na sua terminação aceClcolina Abrem-‐se vários canais dependentes de aceClcolina e existe influxo de Na+ Gera-‐se um potencial de acção na fibra muscular Despolarização da membrana da fibra muscular O re\culo sarcoplasmáCco libera Ca2+ Geram-‐se forças atracCvas entre a acCna e a miosina Os iões de Ca2+ voltam para o re\culo até que surja um novo potencial de acção. 15 O complexo troponina-‐tropomiosina é responsável inibir/recobrir os sítios activos dos filamentos de actina e deste modo, o músculo permanece relaxado. O papel dos iões de Ca2+ sobre este complexo é a sua inibição quando existem altas concentrações do ião, isto porque o ião reage com a troponina C, o complexo sofre uma alteração conformacional que traciona a molécula de tropomiosina e que a coloca mais profundamente no sulco entre dois filamentos de actina, descobrindo os sítios activos. A teoria do “sempre em frente” baseia-‐se na interacção entre o filamento de actina activado e as pontes cruzadas de miosina. As cabeças de duas pontes cruzadas fixam-‐se e soltam-‐se do sítio activo. A cabeça ao ligar-‐se ao sítio activo produz profundas alterações nas forças intermoleculares entre a cabeça e o braço da ponte cruzada. O novo alinhamento de forças leva a cabeça a inclinar-‐se em direcção ao braço e move o filamento de actina. A cabeça solta-‐se do sítio activo voltando à sua posição e então fixa-‐se a um novo sítio activo mais longe gerando de novo movimento de tensão, deslocando o filamento de actina um pouco mais. • consCtuído por 200 ou maismoléculas de miosina; • consCtuído por corpo, pontes cruzadas e cabeça; • a ATPase na cabeça da miosina permite a clivagem de ATP que gera energia necessária à contracção. Filamento de miosina • é consCtuído por: acCna, tropomiosina (sobrepostas aos síCos acCvos dos filamentos de acCna -‐ repouso) e troponina (fixa a miosina à acCna); • a proteína acCna-‐F forma dois filamentos que formam uma hélice; • a cada molécula de acCna-‐G está ligada uma molécula de ADP com o qual há interacção com o filamento de miosina. Filamento de acCna 16 A contracção muscular é um processo de baixa eficácia porque uma parte da energia é perdida na formação de ATP. A eficiência máxima é conseguida quando o movimento é feito com alguma velocidade, pois caso contrário e libertado muito calor de manutenção. A contracção isométrica acontece quando o músculo não encurta durante a contracção, enquanto que, na contracção isotónica encurtamento quando sujeito a tensão constante. Os componentes do músculo que são estirados, durante a contracção, que permitem que os músculos se possam encurtar para compensar o estiramento do componente elástico em série. A duração de contracção de um músculo está adaptada ao respectivo músculo, por exemplo, os músculos oculares (contracção dura menos de 1/40 segundos) realizam movimentos rápidos, por outro lado, o músculo gastrocnémio (1/15 segundos) o movimento é mais lento e adaptado ao movimento das pernas. Atenção: Num músculo de atividade rápida este não apresenta apenas fibras musculares rápidas, mas estas encontram-‐se em maioria em relação às fibras musculares lentas. A unidade motora corresponde a uma fibra nervosa motora com as respectivas fibras musculares. Os músculos com reacção rápida têm controlo preciso porque são unidades motoras de pequena dimensão com poucas fibras musculares (ex.: músculos laríngeos). Fontes de energia para a contracção muscular Fosfocrea>nina: é uma ligação de alta energia (um pouco superior à ligação do fosfato na molécula de ADP), a energia libertada é suficiente para haja reconstrução de moléculas de ATP necessárias. Glicogénio (principal fonte de obtenção de energia): permite manter a contracção muscular por mais tempo. A degradação de glicogénio a ácido pirúvico e ácido lácCco, libera energia suficiente para a formação de ATP. É um processo mais ráoido e independente da uClização de O2. Metabolismo oxida>vo: a energia é obCda através da combinação de O2 com vários nutrientes e há formação de ATP (95% total). Fibras rápidas (=músculo branco) • maiores, pois têm maior força de contracção; • o re\culo sarcoplasmáCco é muito longo (de modo a que libere Ca2+ essencial para a contracção muscular); • apresenta muitas enzimas glicolíCcas; • a vascularização é pouco extensa (o processo de metabolismo oxidaCvo é menos importante); • menor número de mitocôndrias; • a contracção é rápida e forte (corrida curta). Fibras lentas (=músculo vermelho) • menores dimensões; • inervação é realizada por fibras nervosas finas; • tecido mais vascularizado; • apresenta muitas mitocôndrias; • o processo metabolismo oxidaCvo é aquele que maior importância tem na obtenção de ATP neste Cpo de fibras; • Maior concentração de mioglobina (armazena O2 e acelera o seu transporte para as mitocôndrias); • está associada a acCvidade prolongada e conGnua (maratona). 17 As fibras musculares de uma unidade motora apresentam-‐se intercaladas com as fibras musculares de outra unidade motora, o que permite que estas efetuem contracção com o auxílio umas das outras. A somação de fibras múltiplas consiste em que após a activação de um grupo com sinal fraco ocorre activação das unidades motoras mais pequenas, sendo que unidades motoras maiores necessitam de estimulação maior – princípio do tamanho. A activação de unidades motoras ocorre de modo assincrónico – umas após as outras – permite uma contracção uniforme e contínua. A somação por frequência e tetanização acontece à medida que assistimos a um aumento da frequência de contracção atinge-‐se um momento em que a nova contracção ocorre antes do início da anterior, por isso, é parcialmente somada à anterior e há um aumento da força total de contracção. Quando se atinge uma frequência de tal modo elevada, verificamos que as contracções se fundem entre si e se forma uma contracção uniforme e contínua – tetanização. Mesmo em repouso o músculo apresenta algum estado de tensão – tónus muscular – para isso é necessário que existam impulsos nervosos que dependem da informação recebida pelo fuso muscular e que é enviado pelo encéfalo para os motoneurónios. A fadiga muscular surge após contracções fortes e prolongadasem que há incapacidade dos processos contrácteis e metabólicos para manter a contracção na mesma proporção. A hipertrofias muscular consiste num aumento da massa muscular em resultado à força de contracção de um músculo (existe maior síntese de proteínas contrácteis – maior número de filamentos de actina e miofibrilas de miosina e também porque há um aumento do número de complexos enzimáticos responsáveis por fornecer energia). Quando os músculos são estirados para lá do seu tamanho original então existe uma adição de sarcómeros nas extremidades da fibras musculares onde se fixam os tendões (o inverso sucede na retracção muscular) permitindo assim um ajuste do comprimento muscular. A hiperplasia das fibras musculares é o aumento do número de fibras musculares devido a divisão longitudinal de fibras musculares hipertrofiadas. Nos corredores de maratona existe uma remodelação de fibras lentas para que músculos como o gastrocnémio mantenham o seu nível contráctil por períodos curtos de atividade contínua e sofrem as seguintes alterações: 1. Aumento de mioglobina; 2. Aumento do número de mitocôndrias; 3. Aumento do número de enzimas oxidativas armazenadas; 4. Crescimento de capilares no próprio músculo. 5. Quando existe desenervação dos músculos ocorre atrofia (organismo deixa de receber sinais nervosos), quando a reinervação é feita ao fim de 3 meses pode existir uma restauração funcional completa, se esta não for feita até 1 ou 2 anos, a perda da funcionalidade do tecido afectado é definitiva. Na fase final há destruição do tecido e substituição por tecido fibroso e adiposo. As células apresentam-‐se alongadas, com núcleos em fila e sem propriedades contrácteis. As unidades macromotoras surgem quando há destruição de algumas fibras nervosas, enquanto que, outras se mantêm intactas (ex.: poliomielite) as fibras remanescentes brotam axónios e formam novo ramos que formam, por sua vez, novas ramificações que reinervação fibras musculares antes paralisadas. 18 O rigor mortis acontece após morte e os músculos permanecem contraídos (mesmo sem potencial de acção) porque há perda total de ATP. Esta rigidez permanece até que haja destruição das proteínas musculares por autólise efectuada por lisossomas. 19 Excitação do músculo esquelético: transmissão neuromuscular e acoplamento excitação-‐contracção Capítulo 7 Trata-‐se de uma terminação nervosa, na qual o potencial de acção se propaga nos dois sentidos. A fibra nervosa encontra-‐se ramificada e invagina no interior da fibra muscular (embora se encontra por fora da membrana plasmática), esta estrutura encontra-‐se totalmente revestida por células de Schwann. A goteira sináptica é a inaginação da membrana plasmática, o espaço entre a terminação do axónio e a membrana da fibra muscular é a fenda sináptica. As pregas subneurais (no fundo da goteira sináptica) aumenta muito a superfície sobre a qual actua o transmissor sináptico. Nas terminações nervosas existem muitas mitocôndrias para que seja possível a síntese de acetilcolina o principal neurotransmissor (na mitocôndria é obtida a energia, enquanto que a síntese se efectua no citoplasma e o armazenamento se processo em vesículas). O impulso nervoso ao chegar à junção neuromuscular promove a liberação de vesículas de acetilcolina. Os canais de Ca2+ dependentes de voltagem abrem quando o potencial de acção chega. Este ião puxa a vesícula para a membrana do axónio e promove a fusão com a vesícula e a liberação de acetilcolina. O receptor/canal iónico dependente de acetilcolina é formado por um complexo proteico, que se trata de um canal que atravessa toda a espessura da membrana. Este pode estar fechado/aberto, quando ocorre a ligação de acetilcolina ocorre alteração conformacional que promove a abertura do canal, que permite como consequência a passagem de Na+ e K+. o potencial negativo na face interior da membrana da fibra muscular vai levar à entrada de Na+ (enquanto que o K+ é impedido de sair), conduz à produção de um potencial local – potencial de placa. A remoção rápida de acetilcolina é feita através: 1. Enzima acetilcolinesterase: é o principal meio de remoção deste neurotransmissor; 2. Uma parte difunde-‐se para fora da fenda sináptica. 3. Esta remoção rápida impede que haja reexcitação pois pouco tempo permanece e esse pouco tempo que permanece não é suficientes para excitar a fibra muscular. Quando se desenvolve um potencial de placa, o aumento do potencial de membrana desencadeia um feedback positivo o que faz com que o canal fique aberto durante um maior intervalo de tempo, desencadeando assim um potencial de acção na fibra muscular. Placa motora Junção neuromuscular 20 A placa motora apresenta um factor de segurança, isto é, um impulso neevosoque chegue a uma placa motora tem um potencial de placa 3 a 4x maior do que o necessário para estimular a placa. A fadiga de placa surge quando existe um aumento da frequência do impulso, existindo uma diminuição do numero de vesiculas liberadas por impulso. A miastenia gravis (1/20.000) é uma patologia auto-‐imune em que anticorpos estão contra as proteínas/receptores dependentes de acetilcolina o que faz com que o potencial de placa seja muito pequeno e a estimulação não é suficiente nas fibras musculares. A morte pode suceder por paralisia dos músculos respiratórios e o tratamento é feito com um inibidor a acetilcolinesterase. As miofibrilas encontram-‐se envolvidas por um sistema tubulo-‐ reticulo-‐sarcoplasmático, no qual os túbulos transversos começam na membrana celular e atravessam toda a espessura da fibra muscular, comunicando com o líquido extracelular (como uma extensão interna dz membrana celular). Por isso, quando um potencial de acção se propaga à superfície, este também se propaga em profundidade. • Pequenas vesículas são formadas no aparelho de Golgi no corpo celular e são transportadas para a terminação nervosa; • A síntese da aceClcolina é feita no citoplasma e em seguida é transportada para as vesículas, onde é armazenada; • Ocasionalmente pode exsiCr fusão de uma vesícula com a membrana do axónio; • Quando existe um potencial de acção há abertura de canais de cálcio o que intesifica a fusão de vesículas de aceClcolina com a membrana; • Após a liberação de cada vesícula com o respecCvo conteúdo, as vesículas são recuperadas e recicladas. Formação e liberação de aceClcolina Substâncias com acção semelhante à aceClcolina • ex.: metacolina, carbacol, nicoCna, ... • o efeito é igual à aceClcolina, mas não são degradados pela aceClcolinesterase (acção persste por mais tempo). Substâncias que bloqueiam a placa motora • impede a passagem de impulsos da placa motora para o músculo; • a D-‐tubocuranina compete com a aceClcolina; • a neoesCgmina e a fisosCgmina inacCvam a aceClcoliesterase, que não elimina a aceClolina da placa motora, aumentando a sua concentração na placa motora e ocorrem espasmos musculares. 21 O retículo sarcoplasmático é constituído por túbulos longitudinais (paralelos ao trajecto das miofibrilas) e cisternas (acoplados aos túbulos longitudinais). No músculo esquelético existem duas redes de túbulos T para cada sarcómero (próximo das duas extremidades dos filamentos de miosina). O potencial de acção que chega aos túbulos T estabelece um fluxo corrente através da pontes das cisternas acopladas ao túbulos T, uma corrente eléctrica promove a abertura dos canais de cálcio que se dispõem entre miofibrilas e se liga à troponina C e promove a contracção muscular. A remoção de Ca2+ é realizada pela bomba de cálcio activa de fora contínua e por outro lado, a calsequestrina fixa 40 x mais Ca2+. 22 Excitação e contracção do músculo liso Capítulo 8 Contracção do músculo liso • Tipos de músculo liso: é diferenciado quanto à dimensão, organização, resposta a estímulos, inervação e função. o Músculo liso de múltipla unidade: composto por fibras musculares simples que são inervada e funcionam individualmente; as fibras podem contrair individualmente por estímulos nervosos ou em conjunto, normalmente por estímulos não nervosos como ocorre na íris do olho. o Músculo liso unitário (m. liso sincicial ou visceral): são massas de fibras que contraem em simultâneo; as membranas celulares vão estar unidas por gap junctions; é encontrado na constituição da parede de muitas vísceras. • Mecanismo de contracção do músculo liso: o Bases químicas: usa filamentos de actina e miosina; são necessários cálcio, ATP e ADP. o Bases físicas: vamos encontrar corpos densos que correspondem a um grande número de filamentos de actina, que podem estar ligados à membrana celular; entre os filamentos de actina vão estar os de miosina; a organização geral é muito semelhante à do músculo esquelético, mas sem a organização tridimensional do mesmo; podemos fazer ainda a analogia entre os corpos densos e as linhas Z; os filamentos de miosina são ainda polares para ambos os lados, permitindo a contracção de ambos os lados da célula, permitindo uma contracção de 80% em contraste aos 30% do músculo esquelético. o Músculo liso vs músculo esquelético: Músculo Liso Músculo Esquelético Ciclos de Miosina Mais lentos, com maior fracção de tempo no contacto actina/miosina, por menor actividade da ATPase. Mais rápidos, com menor fracção de tempo no contacto actina/miosina. Energia necessária É necessária menor quantidade de energia para a contracção; éde importância extrema por causa da contracção visceral e da quantidade de energia economizada. É necessária maior quantidade de energia para a contracção, também por causa dos ciclos de miosina e da fracção de tempo. Rapidez de contracção/relaxamento Um ciclo de contracção/re-‐laxamento custa ao músculo liso 1-‐3s; no entanto, a diversidade de músculo liso pode ter tempos de 0,2s a 30s. Um ciclo de contracção/relaxamento custa ao músculo esquelético 30x menos tempo que o liso. Força máxima de contracção É de 4-‐6Kg.cm-‐2; esta maior força resulta do maior tempo de contacto actina/miosina. É de 3-‐4Kg. Mecanismo latch Após contracção total, a força de inervação pode ser diminuída sem que se perca a contracção. Stress-‐relaxamento Tem a capacidade de voltar aos seus standarts iniciais, mesmo após períodos de stress. 23 • Regulação da contracção pelos iões de cálcio: são o estímulo que inicia a contracção. o Papel da calmodulina: a calmodulina vai levar ao activar da miosina; isto vai ocorrer em sequências -‐> 1) ligação cálcio-‐calmodulina, 2) activação da cinase de cadeia leve de miosina pelo complesxo cálcio-‐calmodulina, 3) fosforilação das cadeias de regulação de miosina pela miosina cinase, activando-‐a. o Miosina fosfatase: a concentração de cálcio desce, a miosina fosfatase actua, desfosforilando a miosina e levando ao cessar da contracção. o Possível forma de regulação do mecanismo latch: quando as miosina cinase e miosina fosfatase estão ambas activadas, a frequência de ciclos é muito grande; quando estas enzimas deixam de estar activadas, deixa de existir uma frequência de estímulos tão grande o que permite um maior tempo de contracção; esta é apenas uma possível explicação de muitas que estão em estudo. Controlo nervoso e hormonal da contracção do músculo liso • Junções neuromusculares: o Fisiologia anatómica: as fibras nervosas autonómicas que inervam o músculo liso vão ser difusas; elas não estão directamente em contacto com as células musculares, mas secretam as suas substâncias para uma matriz que vai estar em contacto com a célula muscular; estas fibras nervosas vão dividir-‐se em varicosidades que não vão estar envolvidas em células de Schwann e que vão ter no seu terminal vesículas, normalmente, com NE e Ach. o Substâncias excitatórias e inibitórias: Ach é excitatória nalguns órgãos, mas inibitória noutros; a NE é excitatória quando a Ach é inibitória e inibitória quando a Ach é excitatória; é em si o tipo de receptor presente nas células, excitatório ou inibitório, que vai determinar qual o papel da substância que foi secretada. • Potenciais de membrana e potenciais de acção: o Potencial de membrana: voltagem quantitativa de que a membrana depende durante determinada condição do músculo; potencial intracelular de -‐50 a -‐60mV. o Potencial de acção no músculo liso unitário: igual ao do músculo esquelético; pode ocorrer como picos de potencial ou plateaus. § Picos de potencial: ocorrem tal como no músculo esquelético, em músculo liso unitário; podem ser causados por estimulação eléctrica, acção hormonal, neurotransmissores (NT) ou geração espontânea. § Potencial em plateau: é causado pelos mesmos estímulos que o anterior, mas a repolarização é atrasada, permitindo os períodos maiores de contracção do músculo liso. o Papel dos canais de cálcio: o músculo liso tem muitos mais canais de cálcio do que de sódio, e é o influxo de cálcio que vai permitir o potencial em plateau; o cálcio vai também actuar directamente no sistema de contracção do músculo liso. o Geração espontânea de potenciais de acção: está associado às ondas de ritmo lento do potencial de membrana; estas ondas ocorrem nos órgãos; pensa-‐se que estas ondas sejam causadas pelo influxo e efluxo de iões pela membrana; estas ondas vão ser importantes por poderem criar potenciais de acção; não podem levar a contracção, directamente, mas o somatório com um potencial de acção mais fraco pode levar a contracção. o Excitação de músculo visceral por estiramento: o estiramento vai levar à formação de pequenas ondas de ritmo lento e à diminuição da electronegatividade do potencial de acção; esta é a origem da maioria das ondas peristálticas no tubo digestivo. 24 o Despolarização de músculo liso de múltiplas unidades sem potencial de acção: este tipo de músculo é inervado por fibras nervosas muito pequenas que levam à contracção do músculo com a secreção de Ach ou NE sem a criação de um potencial de acção. • Efeito de factores teciduais e hormonais sem criar potencial de acção: o Resposta a factores químicos teciduais: factores que levam a respostas são 1) falta de oxigénio nos tecidos leva a relaxamento
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