Lista de exercícios- Biofísica

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LISTA DE EXERCÍCIOS DE BIOFÍSICA
1) Frequentemente utilizamos o termo “respirar” para o ato de ventilar os pulmões. Caracterize todo o processo respiratório definindo a ventilação pulmonar e sua importância no processo respiratório como um todo.
Inspiração: ar atmosférico é aspirado para uma estrutura bem permeável, o pulmão, onde entra em contato com o sangue. O2 é absorvido.
Expiração: ar pulmonar é expelido para o ambiente, carreando o CO2 e outros componentes para fora.
A dilatação do tórax, pela elevação da caixa óssea das costelas, e abaixamento do diafragma, o pulmão acompanha esse movimento devido à pressão negativa interpleural, entre os dois folhetos da pleura. Essa pressão é pequena, mas é suficiente para acionar a 2ª lei da termodinâmica: de onde tem mais (pressão), vai para onde tem menos, e o ar penetra no pulmão. 
Na expiração, o tórax e o diafragma se contraem, e a pressão alveolar se torna positiva, acima da pressão atmosférica, e o ar é expulso dos pulmões. O ar que entra e sai é conhecido como ventilação pulmonar.
2) Organismos unicelulares, como bactérias e protozoários, não possuem um órgão especializado em trocas gasosas como o nosso pulmão, ainda assim os mesmos são capazes de respirar. Explique qual o fator limitante para as trocas gasosas nesses microrganismos.
Os seres unicelulares trocam, por simples difusão, O2 e CO2 com o meio ambiente. Mas, a partir de um certo volume, ou massa da biossistema, a difusão torna-se insuficiente para atender à demanda biológica. Faz-se necessário um sistema capaz de conduzir O2 à intimidade dos tecidos, e carrear CO2 para o ambiente, atendendo a velocidade das trocas metabólicas.
3) Num experimento de aula prática um professor de biofísica mostrou aos estudantes que quando um determinado volume de ar à temperatura ambiente é inspirado, há um aumento do seu volume nos pulmões. Considerando a lei geral dos gases, explique por que isso acontece.
Nos gases, as forças de repulsão moleculares são mais fortes que as de atração, e as moléculas se repelem, tendo tendência a se espalharem até o infinito, se não forem contidas em um volume determinado. Esse volume determinado só é obtido quando o gás está em um recipiente qualquer. O choque das moléculas de gás sobre as paredes do recipiente, é Força/Área ou Pressão.
4) Explique o papel dos músculos intercostais e do diafragma na ventilação pulmonar. Como eles alteram grandezas como pressão e volume.
Durante a inspiração, a contração do diafragma traciona as superfícies inferiores dos pulmões para baixo, durante a expiração, o diafragma simplesmente se relaxa, e é a retração elástica dos pulmões, da parede torácica e das estruturas abdominais que comprime os pulmões. Todavia, durante a respiração intensa, as forças elásticas não são poderosas o suficiente para causar a expiração rápida necessária, de modo que a força adicional necessária é obtida principalmente pela contração dos músculos abdominais, que força o conteúdo abdominal para cima, contra a parte inferior do diafragma.
O mecanismo pelo qual os intercostais externos e internos atuam para produzir a inspiração e a expiração, as costelas, durante a expiração, formam um ângulo para baixo, e. os intercostais externos estão alongados para frente e para baixo. Quando eles se contraem, puxam as costelas superiores para a frente em relação às costelas inferiores, causando um efeito de alavanca sobre as costelas, o que determina sua elevação, causando, assim, a inspiração. Os intercostais internos funcionam exatamente do modo oposto, atuando como músculos expiratórios, formam um ângulo entre as costelas na direção oposta, causando o efeito oposto de alavanca.
5) Se a capacidade vital de um indivíduo é de 5 L sendo o volume de reserva expiratório de 1 L e o volume corrente de 0.5 L, qual o volume de reserva inspiratório desse indivíduo? Explique por quê.
CV = VC + VRI + VRE
5 = 0,5 + VRI + 1
VRI = 1,5 - 5
VRI = 3,5 
O Volume de reserva inspiratório é o ar que falta inspirar depois da expiração do VC. Diminui quando o Volume corrente aumenta. Está relacionado ao equilibrio entre a elasticidade pulmonar e a performance muscular do tórax.
6) Explique o processo de troca gasosa entre o sangue e o ar levando em conta a pressão parcial de CO2 e O2 nesses dois meios.
Oxigênio: a concentração inicial de O2, se dilui com o ar das vias aéreas superiores e cai de 150 a 95 torr, do exterior do alvéolo. Daí passam 50 torr para o capilar pulmonar, que se juntam aos 40 ja existentes e circulam 90 torr pelo coração esquerdo, ligados à hemoglobina do sangue arterial, até os capilares sistêmicos. Nos tecidos, há um consumo de 50 torr de O2, e restam 40 que passam pelo coração direito e chegam ao capilar pulmonar, são reciclados com a nova metade de O2.
Gás Carbônico: Com o CO2, o circuito é diferente. A quantidade de CO2 é desprezível (0,3 torr), e não há entrada de CO2 no pulmão. No alvéolo, a quantidade em equilíbrio com o capilar pulmonar é 40 torr. Essa pressão entra pelo coração esquerdo, e no capilar tissular recebe 8 torr de CO2 produzido pelo metabolismo dos tecidos, e com a concentração de 48 torr chega ao capilar pulmonar, de onde 8 torr são eliminado do alvéolo.
7) Explique como a tensão superficial pode influenciar a complacência pulmonar.
Quanto maior é a tensão superficial da fina camada lipídica que recobre o alvéolo mais difícil se torna a penetração de O2, porque a camada monomolecular de líquido é uma barreira. 
A força exercida pela tensão superficial pode ser comparada a um barbante que, puxado, fecha o alvéolo. Sabe-se que tensão superficial alta é causa do fechamento dos alvéolos, especialmente nos casos de atelectasia pulmonar.
8) Descreva em poucas palavras a importância do sistema renal para a manutenção da homeostase no corpo humano.
A principal função do sistema renal é auxiliar na homeostase controlando a composição e o volume do sangue, regulando o volume e a composição do fluido extracelular (FEC). Os rins equilibram a obtenção, produção, excreção e consumo de vários compostos orgânicos e inorgânicos através da conservação e excreção de água e solutos. O néfron é a unidade funcional do rim, controlam a concentração e o volume do sangue removendo quantidades selecionadas de H2O e soluto e remove impurezas tóxicas. Ocorre a filtração e depois a reabsorção onde cerca de 99% do filtrado é reabsorvido, voltando assim para o sangue através dos transportes de membrana e atingindo os capilares peritubulares. E depois ocorre a secreção.
9) Descreva os três mecanismos básicos da função renal e em qual estrutura do nefrón cada um deles ocorre.
Filtração: Essa primeira etapa ocorre na cápsula glomerular e é um processo passivo. Caracteriza-se pela saída do filtrado do plasma do interior do glomérulo para a cápsula. Isso ocorre em virtude da alta pressão do sangue nesse local. O chamado filtrado glomerular, ou urina inicial, é livre de proteínas e assemelha-se ao plasma sanguíneo.
Reabsorção: O filtrado resultante da etapa da filtração apresenta substâncias que são bastante importantes para o organismo e devem ser reabsorvidas. A reabsorção ocorre no túbulo néfrico, principalmente nos túbulos proximais, e é importante para evitar a perda excessiva de substâncias, tais como água, sódio, glicose e aminoácidos. Esse processo é responsável por determinar como será a composição final da urina.
A concentração da urina formada é regulada através da secreção de ADH (hormônio antidiurético) pela neuro-hipófise. Esse hormônio atua aumentando a permeabilidade dos túbulos distais e ductos coletores, fazendo com que ocorra uma maior reabsorção de água. A liberação de ADH é maior quando bebemos pouca água, pois é uma forma de o corpo diminuir a eliminação dessa substância que está escassa no momento.
Algumas substâncias estão em concentrações muito elevadas no nosso organismo. Por isso elas não são completamente reabsorvidas e parte é perdida na urina.Pessoas portadoras de diabetes, por exemplo, apresentam grande quantidade de glicose no sangue e consequentemente na urina.
Secreção: Algumas substâncias presentes no sangue e que são indesejáveis ao organismo são absorvidas pelas células do túbulo contorcido distal. O ácido úrico e amônia fazem parte dessas substâncias que são retiradas dos capilares e lançadas ao líquido que formará a urina.
Após passar por toda a extensão do túbulo néfrico, a urina está formada. Ela então é conduzida até os ureteres, que a levarão até a bexiga, onde permanecerá até sua eliminação.
10) Compostos da alta massa molecular em alta concentração no sangue podem influenciar a taxa de filtração glomerular. Explique como.
As concentrações do fluido resultante da ultra filtração glomerular são semelhantes às do plasma, porém não contem proteínas e outros compostos de alto peso molecular em grandes quantidades, além de não apresentar elementos figurados do sangue. Sob condições normais, a taxa de filtração glomerular dos dois rins é de aproximadamente 125ml por minuto, ou 180 litros por dia, ou seja, o volume inteiro do sangue corpóreo circula mais de 30 vezes pelos rins em um dia. A barreira de filtração glomerular não é apenas uma estrutura física que exerce seu papel de barreira mecanicamente, como uma peneira. Existem alguns fatores que influenciam a seletividade da barreira de filtração glomerular, como: peso molecular - compostos com um peso molecular superior a 5500Da tendem a ficar retidos, não estando presentes do ultrafiltrado.
11) Explique a diferença entre néfrons corticais e justamedulares no que diz respeito a estrutura e função.
Embora cada néfron tenha todos os componentes descritos anteriormente, há algumas diferenças dependendo de quão profundos os néfrons se situam no interior do parênquima renal. Os néfrons que têm os glomérulos localizados na zona cortical externas são chamados de néfrons corticais; eles têm alças de Henle curtas que penetram apenas em uma pequena extensão no interior da medula.
Cerca de 20 a 30% dos néfrons têm glomérulos mais profundos, no córtex renal, perto da medula, e são chamados de néfrons justa medulares. Estes néfrons têm longas alças de Henle que mergulham profundamente no interior da medula, em direção ás papilas renais.
As estruturas vasculares que suprem os néfrons justa medulares também diferem daqueles que suprem os néfrons corticais. Para os néfrons corticais, todo o sistema tubular é envolvido por uma extensa malha de capilares peritubulares. Para os néfrons justa medulares longas arteríolas eferentes estendem-se dos glomérulos para a região externa da medula e então se dividem em capilares peritubulares especializados denominados vasa recta, que se se estendem para o interior da medula, acompanhado paralelamente as alças de Henle. Assim como a alça de Henle, os vasa recta retornam para a zona cortical e esvaziam-se nas veias corticais. Essa rede especializada de capilares na medula tem papel importante na formação de uma urina concentrada.
12) Dentre todos os compostos que podem ser filtrados pelos glomérulos, incluindo: Pequenas proteínas, aminoácidos, glicose, Na+, K+, Cl- HCO3, Uréia, Creatinina. Quais não se devem encontrar nas porções após o túbulo proximal dos néfrons? Por quê?
Os aminoácidos e a glicose.
Porque eles são 100% reabsorvidos nos túbulos contorcido proximal, pois são cruciais para nosso organismo. Os aminoácidos formam as proteínas, e as proteínas são importantes na estrutura dos tecidos, são fundamentais como moléculas reguladoras das reações biológicas entre muitas outras funções importantes. E a glicose tem como principal função nos fornece energia, com a ajuda da insulina.
13) Explique o papel da mácula densa na manutenção da pressão glomerular e, consequentemente, da pressão sanguínea.
Na entrada do Glomérulo há um conjunto de células denominado Mácula Densa, as quais são sensíveis ao sódio; quando há diminuição de água no sangue, associada a diminuição da pressão arterial, a mácula densa percebe estimula as células justa glomerulares a libertar Renina, a qual fará vasoconstrição, aumentando assim a pressão arterial e aumentando a filtração dentro do glomérulo. Renina é uma enzima que regula a entrada e saída de sangue no Glomérulo com aumento ou diminuição da pressão arterial. As células da mácula densa são quimiorreceptoras que respondem a modificações na quantidade de NaCl do filtrado. Esses dois grupos de células exercem um papel importante na regulação da taxa de formação do filtrado e da pressão sanguínea sistêmica.
14) O que representa os números “Z” e “A” de um átomo? Átomos com o mesmo número “Z” e diferentes números “A”, são classificados como isótopos. No que diz respeito às partículas subatômicas (prótons e nêutrons) em que diferem os isótopos?
Z = Número atômico (prótons)
A = Número de massa (Nêutrons + Prótons)
Os isótopos diferem-se no número de nêutrons, além de poderem diferir em outras características como a densidade. Como exemplo temos o hidrogênio possui três isótopos estáveis: o prótio, com um próton e nenhum nêutron - corresponde a 99,98% de todos os átomos de hidrogênio; o deutério, com um nêutron e o trítio, com dois nêutrons.
15) Explique por que alguns isótopos emitem radiação.
Eles emitem radiação porque seus núcleos (o conjunto de prótons e nêutrons) não estão em uma configuração estável, apresentam excesso de energia: emitindo a radiação, os prótons e nêutrons se reorganizam tentando alcançar posições mais estáveis.
16) Diferencie as emissões α, β, γ e X classificando-as em ordem crescente de conteúdo energético.
Poder de ionização em ordem crescente:
Emissão Gama (g): É uma radiação eletromagnética semelhante aos raios X. Não possui carga elétrica e nem massa.
Essas emissões possuem energia e, por isso, quando são emitidas pelos núcleos de átomos radioativos (núcleos instáveis), atingem as moléculas de gases, como os que estão presentes no ar e conseguem ionizar esses gases, ou seja, arrancam os seus elétrons e formam íons.
Íons são átomos de elementos que perdem ou ganham elétrons e se tornam carregados eletricamente. Se um átomo perder um ou mais elétrons, ele fica com carga positiva e é chamado de cátion. Por outro lado, se ele ganhar um ou mais elétrons, ele fica com carga negativa e é chamado de ânion.
Por exemplo, após ser expulsa do núcleo atômico, a partícula alfa (24α) colide com as moléculas de gás oxigênio (O2) e captura dois elétrons, transformando-se em um átomo de hélio. Visto que o O2 perdeu dois, ele se ionizou, gerando o íon O2+2.
Visto que a partícula alfa possui a massa maior em relação às outras emissões radioativas, o seu poder de ionização é maior, ou seja, ela arranca os elétrons dos gases com maior facilidade e consegue formar um número maior de íons por cm3na sua trajetória do que as outras emissões.
O poder de ionização das partículas beta é médio, porque a sua carga elétrica é menor que a das partículas alfa.
Já a radiação gama é a que possui o menor poder de ionização entre as três, porque essa capacidade depende quase que exclusivamente da carga elétrica e ela não possui carga, então, praticamente, não forma íons.
Emissão Beta (b): Partículas formadas por um elétron. Possuem carga elétrica igual a -1 e sua massa é considerada desprezível;
Emissão Alfa (a): Partículas formadas por dois prótons e dois nêutrons, do mesmo modo que o núcleo de um átomo de hélio. Possuem carga elétrica igual a +2 e massa igual a 4u;
17) Um paciente recebeu um tratamento com fósforo radioativo (P32 – Energia máxima 1,71 MeV) cuja meia vida é de 3 horas. Desconsiderando-se o a possibilidade deste isótopo radioativo ser eliminado do corpo por vias normais (urina, fezes). Em quanto tempo a radioatividade do paciente atingirá níveis menores que 0,01 MeV?
1,71
0,85
0,42
0,21
0,10
0,05
0,02
0,01
0,005
Total = 24 Horas 
18) Diferencie radiações excitantes de radiações ionizantes. De exemplosde aplicação biomédica para esses dois tipos de radiação.
A radiação ionizante é definida como aquela que tem energia suficiente para interagir com os átomos neutros do meio por onde ela se propaga. Em outras palavras: essa radiação tem energia para arrancar pelo menos um elétron de um dos níveis de energia de um átomo do meio, por onde ela está se deslocando. Assim esse átomo deixa de ser neutro e passa a ter uma carga positiva, devido ao fato de que o número de prótons se torna maior que o de elétrons. O átomo neutro se torna um íon positivo.
A radiação ionizante pode ser classificada em dois grupos: aquela que tem carga elétrica associada e a neutra. Alguns tipos de radiação corpuscular como partículas alfa e beta, elétrons e prótons possuem carga, assim se referem ao primeiro grupo, já o nêutron é uma partícula sem carga e por este motivo se enquadra no segundo. Alguns tipos de radiação eletromagnética também são ionizantes, como os raios UV, X e gama, mas como não possuem carga também fazem parte da segunda categoria.
A radiação excitante é aquela que faz com que os elétrons sejam levados para camadas mais externas do átomo, sem serem ejetados. Exemplo é a radiação ultravioleta, luz visível...
Radioterapia: Consiste em eliminar tumores malignos (cancerígenos) utilizando radiação gama, raios X ou feixes de elétrons. O princípio básico é eliminar as células cancerígenas e evitar sua proliferação, e estas serem substituídas por células sadias.
Braquiterapia
Trata-se de radioterapia localizada para tipos específicos de tumores e em locais específicos do corpo humano. Para isso são utilizadas fontes radioativas emissoras de radiação gama de baixa e média energia, encapsuladas em aço inox ou em platina, com atividade da ordem das dezenas de Curies. A principal vantagem é devido à proximidade da fonte radioativa afeta mais precisamente as células cancerígenas e danifica menos os tecidos e órgãos próximos.
Aplicadores
São fontes radioativas de emissão beta distribuídas numa superfície, cuja geometria depende do objetivo do aplicador. Muito usado em aplicadores dermatológicos e oftalmológicos. O princípio de operação é a aceleração do processo de cicatrização de tecidos submetidos a cirurgias, evitando sangramentos e queloides, de modo semelhante a uma cauterização superficial. A atividade das fontes radioativas é baixa e não oferece risco de acidente significativo sob o ponto de vista radiológico. O importante é o controle do tempo de aplicação no tratamento, a manutenção da sua integridade física e armazenamento adequado dos aplicadores.
Radioisótopos
Existem terapias medicamentosas que contêm radioisótopos que são administrados ao paciente por meio de ingestão ou injeção, com a garantia da sua deposição preferencial em determinado órgão ou tecido do corpo humano. Por exemplo, isótopos de iodo para o tratamento do cancro na tiroide.
Radiografia
A radiografia é uma imagem obtida, por um feixe de raios X ou raios gama que atravessa a região de estudo e interage com uma emulsão fotográfica ou tela fluorescente. Existe uma grande variedade de tipos, tamanhos e técnicas radiográficas. As doses absorvidas de radiação dependem do tipo de radiografia. Como existe a acumulação da radiação ionizante não se devem tirar radiografias sem necessidade e, principalmente, com equipamentos fora dos padrões de operação. O risco de dano é maior para o operador, que executa rotineiramente muitas radiografias por dia. Para evitar exposição desnecessária, deve-se ficar o mais distante possível, no momento do disparo do feixe ou protegido por um biombo com blindagem de chumbo.
19) Em um tratamento radioterápico, explique a relação entre a intensidade do tratamento e o surgimento de sintomas indesejados levando em consideração características morfofisiológicas dos tecidos ou órgãos submetidos a irradiação.
A radioterapia e um tratamento no qual se utilizam radiações para destruir ou impedir que as células de um tumor aumentem, ela pode ser usada em combinação com a quimioterapia ou outros recursos usados no tratamento dos tumores, assim como outros tratamentos, pode causar efeitos colaterais. Estes variam de pessoa para pessoa, conforme o tipo e localização do câncer, a dose de tratamento e saúde da pessoa. As reações geralmente começam pela segunda ou terceira semana de tratamento e podem durar várias semanas após a última aplicação da radiação. Por este motivo o acompanhamento médico especializado é muito importante, para prevenir e auxiliar sobre estes efeitos durante todo o processo do tratamento.
Efeitos colaterais específicos:
Cabeça e Pescoço: Os efeitos colaterais da radioterapia na cabeça e pescoço podem incluir boca seca, dificuldade em engolir, feridas na boca e gengiva, rigidez na mandíbula, e náuseas.
Além disso, a cárie dentária pode ocorrer. Antes de iniciar a terapia de radiação para qualquer câncer de cabeça e pescoço, é importante visitar um dentista oncológico (um dentista com experiência no tratamento de pessoas com câncer de cabeça e pescoço). Este dentista pode recomendar a remoção dos dentes antes do início do tratamento para ajudar a prevenir osteorradionecrose (doença da mandíbula) e pode receitar um tratamento especial com flúor para ajudar a prevenir a cárie dentária.
Peito e Tórax: Os efeitos colaterais da radioterapia no tórax podem incluir dificuldades em engolir, tosse, febre, falta de ar, dor na mama ou mamilo, e rigidez no ombro. Algumas pessoas podem apresentar febre e plenitude do peito que é diagnosticado como pneumonite por radiação, uma inflamação do pulmão que pode ocorrer entre duas semanas e seis meses após a radioterapia. Se esta não for tratada pode causar uma fibrose por radiação (inflamação dos pulmões devido a radiação), que é associada com problemas cardíacos e pulmonares. Estes efeitos são previamente estudados pelo médico oncologista que irá definir a dose certa de radiação a ponto de evitá-los.
Estômago e Abdômen: Os efeitos colaterais da terapia de radiação para o estômago e abdômen podem incluir náuseas, vômitos ou diarreia. Estes sintomas provavelmente vão desaparecer quando o tratamento é concluído. O médico pode prescrever medicamentos para estes efeitos colaterais, e alterações em sua dieta para reduzir o seu desconforto.
Pélvis: Os efeitos colaterais da radiação à pélvis podem incluir problemas digestivos e irritação da bexiga. Beber líquidos, exceto bebidas alcoólicas ou com cafeína, pode ajudar a prevenir a desidratação associada com diarreia.
Além disso, a terapia de radiação pode afetar o sistema reprodutivo. Algumas mulheres que receberam altas doses de radioterapia podem parar de menstruar e apresentar sintomas da menopausa, tais como coceira vaginal, ardor e secura. Pode ocorrer também infertilidade permanente (incapacidade de conceber um filho ou manter uma gravidez), isto caso ambos os ovários recebam a radiação. Homens submetidos a radioterapia para os testículos ou para órgãos vizinhos, como o de próstata, terão redução de espermatozoides e atividades do esperma, o que afeta a fertilidade.
Em casos específicos a radioterapia pode levar a outros problemas sexuais, tanto em homens como em mulheres. Por exemplo, a radiação aplicada na próstata pode resultar em impotência (incapacidade de manter uma ereção). Além disso, pode afetar as funções do reto, bexiga e pênis. Os efeitos colaterais podem incluir diarreia, sangramento retal, incontinência e impotência.