BIOFÍSICA DAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS

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Profa. Claudineia Araujo
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A membrana celular define os limites da célula e com isso, mantém as diferenças de composição entre os meios intra e extracelular.
Função: promover, de forma seletiva, trocas entre os meios intra e extra celular, e manter moléculas como proteínas e pequenos solutos, no interior da célula. 
(Fonte: http://1.bp.blogspot.com).
Fonte: Garcia, E. A. C. Vasconcelos, C. M. L . 2009, pg. 8.
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A membrana serve como uma barreira de permeabilidade;
Permite que a célula mantenha a composição citoplasmática diferente da composição do fluido extracelular. 
A composição da membrana tem sido estudada a partir das propriedades físicas, discutiremos a evolução dos principais modelos da membrana celular. 
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Gorter & Grendel (1925) propuseram o primeiro modelo estrutural para a membrana biológica.
Mostrou que o conteúdo lipídico das membranas ocupava uma área duas vezes maior que a superfície da célula. 
 
Modelo de membrana celular proposto por Gorter & Grendel (1925).
Fonte:GARCIA, E.A.C., 2002.p.5.
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Danielli & Davson (1935) propuseram a participação de proteínas na membrana.
A membrana seria composta por 40 a 50% de lipídios e 50 a 60% de proteínas.
Modelo de membrana celular proposto por Danielli & Davson (1935)
Fonte:GARCIA, E.A.C., 2002.p.5
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Stein & Danielli (1956) - presença de poros hidrofílicos formados por proteínas atravessando toda a extensão da bicamada lipídica. 
Esse poro foi idealizado para justificar a comunicação da célula com o meio externo.
Neste modelo não há contato para porção polar da bicamada lípídica com o meio extracelular, ou com o citoplasma, a bicamada lipídica fica blindada pela proteína.
Modelo de membrana celular proposto por Stein & Danielli (1956)
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Lucy & Glauert (1964) – propuseram que a membrana celular seria formada por micelas lipídicas (arranjo esférico de lipídios), recoberta por proteínas.
Não há comunicação entre os meios extra e intra celular.
Modelo de membrana celular proposto por Lucy & Glauert (1964)
Fonte: Garcia, E. A. C. 2000 (pg. 5).
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Benson (1966) – membrana formada por uma matriz protéica com lipídios mergulhados nessa matriz. 
Não há canais transmembranas.
Fonte: Garcia, E. A. C. 2000 (pg. 5).
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O atual Modelo é o do mosaico fluido proposto por Singer & Nicolson, em 1972.
Modelo constituído de uma bicamada lipídica;
Proteínas inseridas: intrínseca - permite comunicação do citoplasma com o meio extracelular; 
e extrínseca - de superfície.
Fonte: Garcia, E. A. C. 2000 (pg. 6).
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O modelo prevê:
Passagem seletiva de íons pelas proteínas intrínsecas (atravessam toda a espessura da membrana), que são chamadas de canais. 
 Liberdade de movimento das proteínas na bicamada lipídica.
Distribuição aleatória de componentes moleculares na membrana.
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O modelo prevê : 
1)Distribuição não aleatória das proteína na membrana. 
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. 
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 Segundo estudos de Rouser 1968, existem três tipos de lipídios na membrana : 
1) Esteróides
 	colesterol 
2) Fosfolipídios
	Esfingomielina
	Fosfatidilcolina
	Fosfatidiletanoamina
	Fosfatidilserina
	Lecitin
3) Glicolipídios
Fonte: Garcia, E. A. C. 2000 (pg. 6).
Representação da molécula de colesterol interposta entre os fosfolipídios de membrana. (Fonte:http://www.ar.geocities.com).
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As moléculas lipídicas são anfipáticas, possuem :
hidrofílica ou polar (solúvel em meio aquoso) e 
hidrofóbica ou apolar (insolúvel em água, porém solúvel em lipídios e solventes orgânicos), composta pelas duas cadeias de ácidos graxos.
 A maior parte dos sabões e detergentes são feitos de compostos que contém esse tipo de molécula.
Molécula de fosfolipídio. Fosfatidilcolina,representada esquematicamente (esquerda) e modelo espacial (esquerda). (Fonte: http://html.rincondelvago.com).
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A BICAMADA LIPÍDICA
A membrana plasmática não é uma estrutura estática, os lipídios movem-se proporcionando uma fluidez à membrana.
1) Flip-Flop - é o movimento de passagem de um lipídio de uma monocamada para outra. Ocorre raramente. 
 Deve-se a baixa afinidade da cabeça polar com as caudas de ácido graxo, dificultando a passagem da cabeça polar (hidrofílica) dentro da região apolar (hidrofóbica) da bicamada lipídica.
Fonte: Alberts et al., 2004.
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A BICAMADA LIPÍDICA
2) Difusão lateral – os lipídios movem-se lateralmente ao longo da extensão da camada.
3)Rotação - movem-se ao longo do seu próprio eixo, em movimento rotacional.
4) Flexão – Movimento das caudas hidrofóbicas dos lipídios.
Fonte: Alberts et al., 2004.
Tipos de movimentos possíveis realizados pelos fosfolipídios em uma bicamada lipídica.
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Controlada por fatores físicos e químicos:
Temperatura : quanto mais alta ou baixa, mais ou menos fluida será a membrana, respectivamente.
O número de duplas ligações nas caudas hidrofóbicas dos lipídios : quanto maior o número de insaturações, mais fluida a membrana.
Alberts et al., 2004
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Concentração de colesterol : quanto mais colesterol, menos fluida. 
O colesterol, por ser menor e mais rígido, interage com os lipídios adjacentes, diminuindo a capacidade de movimentação.
Tamanho da cauda do lipídio: quanto mais curta a cauda do fosfolipídio mais intensa será a flexão da cauda e, portanto, maior a fluidez da membrana.
Alberts et al., 2004
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Proteína da 
classe 
Cadeia lateral de
 oligossacarideo
Glicolipídio
Fosfolipídeo
Proteína 
globular
Segmento
hidrofóbico da
proteína
Colesterol
Modelo Atual da Membrana Celular
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Conceitos Simples de Eletricidade
Diferença de potencial (Voltagem): Colocando-se eletrotodos dentro e fora de uma célula temos uma diferença de potencial de –10 a -100 mV, ou seja, há um potencial negativo de 10 a 100 mV no interior da célula em relação ao meio externo.
Corrente elétrica (I): É o movimento de cargas elétricas em meios condutores, medida em Ampères (A), o que equivale a 1 Coulomb/segundo, uma unidade relativamente grande para os propósitos da biofísica, assim trabalha-se com submúltiplos desta unidade,como, miliampère (mA, 10-3 A), microampère (A, 10-6), nanoampère (nA, 10-9) e picoampère (pA, 10-12 A). 
As cargas para os fenômenos elétricos na membrana celular são íons, tais como, Na+,K+, Ca++ e Cl-.
 
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Membrana como circuito RC.
A análise do comportamento elétrico da membrana celular permite uma associação com um circuito paralelo do tipo resistor-capacitor (RC).
Capacitância (C) : a membrana separa os meios intra e extracelular, dois meios condutores.
A membrana atua como um capacitor, que armazena cargas elétricas. 
A capacitância (C) é medida pelo quociente da quantidade de carga elétrica (Q) armazenada pela diferença de potencial ou voltagem (V) que existe entre os dois lados da membrana. 
C = __ Q __
 V
Sua unidade é o Farad (F). 1 F = 1 Coulomb/Volt.
(Aires, 2008, p.24). 
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R
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
++++++++++++++++++++++++
Circuito RC Modelo de membrana celular
+++++
- - - - -
Comportamento Elétrico da 
Membrana Celular
C: Capacitância do capacitor, 1 F = 1 Coulomb/Volt.
R: Resistência elétrica, mede-se em Ohms (). 
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Resistência elétrica (R): é a oposição do meio à passagem da corrente elétrica, mede-se em Ohms (). 
Quanto maior a resistência elétrica, pior condutor é o meio. 
Estudos com membranas artificiais tem mostrado que: apresentam resistência elevada, de 106 a 109 .cm2, quando comparadas aos das membranas celulares, que variam de 103 a 8.000 .cm2 .
E que inclusão de proteínas na estrutura dasmembranas artificiais diminuem a resistência elétrica, sugerindo o papel das proteínas no modelo adequado de membranas celulares.
Fonte: Garcia, E. A. C. 2002 (pg. 9).
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 Diferença de permeabilidade da membrana aos diversos íons.
 Assimetria iônica entre os dois lados da membrana.
Bomba de Na+/K+.
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É gerado, devido a membrana apresentar: diferença de permeabilidade aos diversos íons; assimetria iônica entre os lados intra e extracelular. 
Fonte: Garcia, E. A. C. 2002 (pg. 9).
O potencial de repouso de uma célula tem sua origem em 
dois mecanismos: 
difusão de íons através da membrana (Na+ e K+)
2) contribuição da bomba de Na+/K+.
Fonte: ALBERTS, B.; JOHNSON, A, 2004.
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Método para Medir o Potencial de 
Repouso
+++++++++++++++++++++++++
--------------------------------------------
--------------------------------------------
+++++++++++++++++++++++++
Neurônio
Axônio
Amplificador
Oscilóscopio
Eletrodos
-70mV
Dois eletrodos, inseridos no axônio de um neurônio em repouso, detectam a pequena diferença de potencial, entre os meios extra e intra celular, esse sinal é amplificado e mostrado no osciloscópio. 
Meio extracelular
Meio intracelular
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BOMBA DE NA+/K+
É eletrogênica, ou seja, cria uma diferença de potencial elétrico entre o citosol e o meio extracelular, por bombear para o meio externo mais cátions (Na+) do que para o meio interno (K+), contribuindo para criação do potencial transmembrana. 
A bomba contribui para que a célula fique mais negativa do que o meio extracelular.
Cria-se um gradiente de concentração – a diferença de concentração de Na+ e K+ entre o citosol e o meio extracelular deve-se a bomba de Na+/K+. 
A manutenção desse gradiente é importante para manter o potencial de repouso da célula.
Fonte: Aires, 2008,p.128. 
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BOMBA DE NA+/K+
Controla o volume hídrico da célula: por bombear mais cátions (Na+) para o meio extracelular e pelo fato de a membrana apresentar baixa permeabilidade ao Na+.
No potencial de repouso, o Na+ bombeado para o exterior da célula, não retorna rapidamente para citosol. Ficando no meio extracelular, o Na+ cria um gradiente osmótico favorável a saída da água da célula. 
Dessa forma, a bomba de Na+/K+ ajuda a manter o volume de água constante no citosol.
Fonte: Aires, 2008,p.128. 
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Hodgkin e Keynes (1955), realizou estudos com axônio de lula, e observou que havia transporte do íon de sódio do meio intra para o meio extracelular.
Foi realizado em água do mar artificial, contendo sódio radioativo com estímulo do axônio, que aumentava a concentração intracelular do sódio radioativo. 
Posteriormente, o axônio era lavado e mergulhado em água do mar, sem sódio radioativo. Com o monitoramento da radioatividade no meio extracelular, indicava existir passagem de sódio radioativo, do axônio para a água do mar. 
Fonte: Garcia, E. A. C. 2002 .pg. 10.
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1. axônio mergulhado em água do mar artificial contendo concentração normal de Na+ (curva 1).
2. axônio mergulhado em água do mar contendo concentração de Na+ reduzida para 33 % (curva 2).
3. axônio mergulhado em água do mar contendo concentração normal de Na+ (curva 3).
Influência da concentração extracelular do sódio sobre o potencial de ação de axônio gigante de lula
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Experimentos de Hodgkin comprovou a suspeita de Dean, sobre a existência na célula de um sistema de transporte ativo que bombeava íons de sódio para fora e potássio, para o interior da célula. 
Esse sistema é chamado bomba de Na+/K+ . 
Estudos de DEAN, utilizando íons sódio e potássio radioativos, indicaram que a membrana celular é permeável a íons como sódio e potássio, explicando a baixa concentração de sódio e a alta concentração de potássio no meio intracelular. 
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Na+
K+
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O gradiente de concentração da membrana serve para promover 
fluxos iônicos dos tipos:
Co-transporte: movimentação de um cátion arrasta consigo um ânion.
	- Fluxos de Co-transportes: Para dentro da célula: Na/Cl-
			 Na+/K+, 2Cl-
			 
 Para fora da célula: K/Cl-
Contra-transporte: Substâncias ou íons de mesma polaridade são trocados entre os lados interno e externo da membrana.
	- Fluxos de contra-transportes:
				 Na/ H
				 H/ K
	
			
Fonte: Garcia, E. A. C. 2002.pg. 12.
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A tendência difusional é de migrar do meio de maior concentração para o de menor concentração 
 fluxo difusional, criando uma diferença de potencial elétrico entre as duas faces de membrana fluxo elétrico.
No transporte ativo, o soluto é transportado do meio menos concentrado para o mais concentrado, havendo consumo de ATP intracelular.
 As proteínas carreadoras que realizam este transporte são denominadas de bomba.
Fonte: Garcia, E. A. C. 2002 .pg. 15.
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 Ocorre devido ao movimento de átomos ou moléculas.
 É rápida quando a distância pela qual ocorre é pequena.
 O tempo necessário para a difusão aumenta em proporção ao quadrado da distância em que deve ocorrer a difusão.
 Distância da difusão (m) Tempo necessário para a difusão
		1				0,5ms
		10				50ms
		100				5s
		1.000 (1mm)			8,3min
		10.000 (1cm)			14h
Fonte: Berne R. M. ; Levy M. N. ; Koeppen B. M. ; Stanton B. A. Fisiologia, 1998, p. 8
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Lei de Fick
J= -DA ∆C
		 ∆x
Onde
J= Intensidade efetiva da difusão, em moles ou gramas, por unidade de tempo.
D= Coeficiente de difusão do soluto. É proporcional à velocidade com que a molécula difusora pode deslocar-se pelo meio circundante.
A= Área da superfície da membrana.
∆C= Diferença de concentração através da membrana.
∆x= Espessura da membrana.
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A diferença de potencial elétrico entre as duas faces de membrana que impede a difusão de um determinado íon é chamada de potencial de equilíbrio do íon ou Potencial de Nernst.
A equação de Nernst permite que seja calculado o potencial de equilíbrio de um íon.
Fonte:GARCIA, E.A.C. 2002.p.15
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Equação de Nernst
[Íon]fora
[Íon]dentro
Diferença de voltagem através da membrana
Concentração
do íon dentro da célula
Concentração
do íon fora da célula
Constante universal dos gases
Temperatura em graus Kelvin
Valência do Íon
VK =
RT ln ( ) 
zF
Número de Faraday
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Para utilizar essa equação deve-se admitir que:
o potencial no meio extracelular é zero, 
a membrana é permeável apenas a um único íon,
 conhecer as concentrações interna e externa do íon. 
O potencial calculado, em mV, se refere ao potencial dentro da célula.
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Difusão de Íons por Canais Passivos
Fonte: http://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.html
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[Íon]fora
[Íon]dentro
VK =
RT ln ( )
zF
Difusão de Íons por Canais Passivos
Fonte: http://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.html
					
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A aplicação da equação de Nernst, não consegue prever o valor final do potencial na membrana celular, levando-se em consideração a ação dos diversos íons presentes nas regiões intra e extra celular. 
É válida para íons monovalentes, para íons de outra valência é necessário dividir pela valência do íon (z), como a equação:
VK = (58 mV) log _[Íon]fora
 z [Íon]dentro
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As informações nervosas são transmitidas por meio de potenciais de ação, que corresponde à variação rápida do potencial de repouso da célula.
A célula sai do seu potencial de repouso (negativo) e passa para um potencial intracelular positivo, para em seguida, retornar ao potencial de repouso (negativo) inicial. 
Para que a célula fique positiva, ou seja, paraque seja gerado um potencial de ação, é preciso que ocorra um influxo de cargas positivas na célula. 
Por outro lado, para retomar o seu estado de repouso, é preciso que ocorra a saída de cargas positivas.
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 Fases do potencial 
Fase de repouso – corresponde ao potencial de repouso da membrana. Nesta fase, a célula está “polarizada”, por apresentar uma diferença de potencial entre os lados da membrana sendo o seu interior negativo.
Fase de despolarização –o potencial de repouso torna-se menos negativo em relação ao que possuía no estado de repouso. O potencial intracelular aumenta de -90 mV, ultrapassando a voltagem de 0 mV e tornando-se positivo. Isto ocorrerá se houver um estímulo elétrico que eleve o potencial da membrana até a voltagem limiar.
Quando a voltagem limiar é alcançada, ocorre redução da resistência da membrana devido à abertura dos canais de Na+ operados por voltagem.
Fonte:Conde-Garcia, 1998, p.26.
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Quando a célula sofre despolarização e sua voltagem ultrapassa 0 mV, ou seja, quando ocorre inversão do potencial de membrana, diz-se que aconteceu o “overshoot”, que se deve a um grande influxo de íons Na+ na célula.
Representação gráfica de um potencial de ação de uma célula nervosa
mostrando as suas diferentes fases. 
Fonte:Conde-Garcia, 1998, p.21
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Segundo Hodgkin & Huxley (1952), o aumento da condutância da membrana ao Na+ coincide com a fase de despolarização - produzida pela entrada Na+ do meio extra para o intracelular. 
Nota-se que a condutância ao Na+ aumenta rapidamente , depois, decresce, o que se deve a inativação dos canais de Na+.
A fase de repolarização se deve a um aumento da condutância da membrana aos íons K+,ocorrendo uma saída excessiva de K+ da célula para o meio extracelular, fazendo com que ela hiperpolarize, restabelecendo o potencial normal negativo de repouso da membrana.
Fonte: Conde-Garcia, 1998, p.23.
Potencial de ação de axônio gigante de lula (linha tracejada) e as variações de condutância da membrana aos íons Na+ e K+. (Fonte: http://www.psy.jhu.edu).
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No repouso, o interior do neurônio está eletronegativo devido ao efluxo de íons K+ e ao trabalho da bomba de Na+/K+.
Quando a célula é estimulada e o limiar de estimulação é alcançado, ocorre abertura de canais de Na+ o que promove a entrada deste cátion tornando a célula carregada positivamente. 
O aumento da voltagem estimula a abertura de novos canais de Na+. A corrente despolarizante, transportada pelo Na+, se propaga em ambas as direções ao longo do axônio- potencial de ação. 
Portanto, uma membrana excitável não se propaga em única direção, o potencial de ação se propaga a partir do ponto estimulado. 
Após a passagem do potencial de ação por uma região da membrana, os canais de Na+ abertos se fecham enquanto que os canais de K+ se abrem, promovendo a repolarização e o restabelecimento do potencial de repouso.
A onda elétrica assim formada é conhecida como impulso nervoso ou muscular.
Fonte:. Guyton,2006. p.36
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Propagação do potencial de ação ao longo de uma célula nervosa.
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Canais de K+
Canais de K+ são os canais mais usualmente abertos na membrana plasmática de neurônios em repouso. 
Assim há saída de íons K+, o que deixa um excesso de carga negativa no interior da célula.
Membrana
Sensor de 
voltagem
Exterior
Canal
aberto
Canal
fechado
K+
Interior celular
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Se num ambiente adequado, uma célula despolariza e o seu limiar de estimulação é alcançado, o potencial de ação é inevitável. 
Se este limiar não for atingido, ou seja, se o influxo de sódio não for suficientemente forte para despolarizar a célula, então não ocorrerá o potencial de ação. 
Por isto, o processo de produção deste potencial é conhecido como um fenômeno do tipo “tudo ou nada” e se aplica a qualquer célula excitável.
Fonte: Guyton, 2006, p.56.
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Garcia, E. A. C. Vasconcelos, C. M. L . Biofísica para biológos. UFS, CESAD, 2009.
AIRES, M. M. Fisiologia. 3 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008.
CONDE-GARCIA, E. A. C. Biofísica. Ed. Savier, 1998.
ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; P. Biologia Molecular da Célula,Ed. ArtMed, 2004.
http://www.biofisica.ufsc.br
GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica, Ed. Elsevier, 11 ed, 2006
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OBRIGADO!
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