Biofisica Aula 3

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Biofísica: 
Teoria do Campo e a Biologia
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Teoria do Campo e a Biologia
TEXTO
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Teoria do Campo e a Biologia
Toda Matéria emite um Campo, que é Energia. Essa Energia se manifesta com uma Força, que pelo seu deslocamento é capaz de produzir Trabalho. Biofísica Básica, 2005, pag.13
 
Objetos, corpo, alimentos – caracterizado pela massa.
É uma ação, produto da massa pela aceleração
Pode produzir Energia;
Principal atividade do ser vivo.
Contração muscular, síntese de proteínas
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Teoria do Campo e a Biologia
O campo se manifesta sob três formas definidas, que são:
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Teoria do Campo e a Biologia
Propriedades principais:
Campo Gravitacional (G): Somente Força de Atração. Age a longas distâncias como no sistema solar.
Campo Eletromagnético (EM) – Forças de Atração e Repulsão.
a) Com Carga:
Elétrico (Cargas + e -); age em pequenas distâncias, como alguns metros.
Magnético (Pólos Norte e Sul). Age a distâncias médias.
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Teoria do Campo e a Biologia
b) Sem Carga:
Campo Elétrico e Magnético Combinado. São as radiações Eletromagnéticas, raios x, UV, infravermelho, rádio, etc.
3. Campo Nuclear (N) 
Forças de Atração e Repulsão: muito fortes somente no limite dos núcleos (intranucleares);
Forças Fracas: radiação emitida pelo núcleo (entre partículas).
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A energia existe nesses Campos sob dois estados:
Energia Potencial (Ep): armazenada, em repouso;
Energia Cinética (Ec): em movimento, trabalhando.
Estados e Formas de Energia nos Campos
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A BIOLOGIA E OS CAMPOS DE ENERGIA
No Campo Gravitacional (G) a energia se manifesta na forma de Energia Gravitacional e Energia Mecânica. Este campo é emitido por qualquer matéria e nele existem apenas forças de atração. Há dois tipos de Campo G:
Campo G real: emitido pela matéria, é permanente;
Campo G provocado: produzido pela transição dos corpos, transitório.
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O Campo G da Terra é um exemplo típico de Campo G Real
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Atividade dos Biossistemas no Campo G:
Movimento (processos vitais)
Levantamento de peso (terapia funcional)
Ação do Campo G sobre os Biossistemas
Introdução de líquido no corpo;
Agrava Curvatura da Coluna (cifose, lordose e escoliose)
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Campo Eletromagnético
	Possui forças de atração e de repulsão;
	Está dividido em Campo Elétrico (E), Campo Magnético (M) e o Campo Eletromagnético (EM);
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Campo Eletromagnético
	Os campos E e M possuem carga, o campo EM não possui carga;
	Com carga:
	1. elétrica: Positiva(+) ou Negativa(-)
	2. magnética: Polo Sul (S) ou Polo Norte (N)
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Campo Eletromagnético
	Sem carga:
	1. Radiação eletromagnética: 	raios X, luz, calor...
	A Matéria, de modo geral, é neutra, tem distribuição equivalente de cargas positivas e negativas.
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O Campo Elétrico é presente em todas as células: impulsos nervosos.
Responsável pelas reações químicas.
Sua propagação é medida pelo eletrocardiograma (ECG), eletroencefalograma (EEG), eletromiograma (EMG) e eletroretinograma (ERG).
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O Campo Magnético participa de certas propriedades de moléculas como a hemoglobina, ferredoxina.
Usado para investigar propriedades magnéticas, como RMN.
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O Campo Eletromagnético está presente em todos os seres vivos sob a forma de calor.
Há sistemas capazes de produzir radiações mais energéticos como a luz visível: Vagalumes, bactérias e algas.
Responsável pelo fenômeno da visão e fotossíntese.
Na visão a luz incide sobre o olho, forma-se a imagem, e a energia da luz é transferida para uma molécula, a rodopsina e se transforma no impulso elétrico (pulso nervoso)			
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Na fotossíntese, a luz é absorvida pelos cloroplastos que a armazenam como fonte de energia para síntese de moléculas especiais na fotossintese
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Trabalho
Os seres vivos somente vivem enquanto trabalham.
O trabalho é definido como o deslocamento de uma força. A força só existe nos campos, portanto os campos realizam trabalho porque despendem energia.
Costuma-se diferenciar Trabalho Ativo (sistema gasta Energia), de Trabalho Passivo (sistema não gasta Energia).
Ora, se o sistema não gastou energia, e Trabalho somente se faz com dispêndio de energia, alguém gastou energia pelo sistema!!!
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Tipo de trabalho:
Trabalho Ativo (movimento se opõe as forças do campo);
Trabalho Passivo (movimento segue as forças do campo);
Trabalho Combinado (movimento segue as forças do campo, ajudado por uma força estranha ao campo).
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Exemplo de Trabalho nos Campos:
 
 Campo Gravitacional: existem a apenas forças de atração.
Quando dois corpos se aproximam: Trabalho Passivo
Quando dois corpos se afastam: Trabalho Ativo
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Exemplo de Trabalho nos Campos:
Campo Eletromagnético: existem forças de atração e repulsão nos campos E e M e forças de concentração no campo EM.
Qdo o movimento segue as forças do 
campo, o trabalho é Passivo (P).
Qdo contraria as Forças do campo, (A). 
O campo de concentração sempre é da 
maior concentração para a menor 
concentração (P), se contrário, (A). 
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Transporte ativo equivale a Trabalho ativo.
Transporte passivo equivale a trabalho passivo.
Obs.: 
Onde há Trabalho Passivo houve Trabalho Ativo antes;
Todo Trabalho exige gasto de energia;
Trabalho é o Objetivo Final dos Seres Vivos. 
Transporte Biológico e Trabalho
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Biofísica da água
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A água cobre ¾ da superfície do planeta.
A vida na terra começou nos oceanos e as condições daquele ambiente determinaram as características químicas mais importantes dos seres vivos.
A vida como a conhecemos existe graças as propriedades singulares da água.
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Água: molécula mais abundante
 É o solvente fundamental dos sistemas biológicos 
Cerca de 70 % do nosso corpo é composto por água
 ~ 2/3 encontrada no microambiente intracelular
 ~ 1/3 encontrada no meio extracelular, sobretudo no plasma sanguíneo.
A água se movimenta por todo o corpo através das veias e artérias carregando íons e nutrientes para todas as células.
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Água: molécula mais abundante
ÁGUA NOS PRINCIPAIS TECIDOS
BAÇO			80% 	 
PULMÕES 		80%	
RINS			80% CORAÇÃO		77%
PÂNCREAS 		75% 
FÍGADO	 		73%
T. CONJUNTIVO	 	60%
T. ADIPOSO		30%
OSSO			33%
ÁGUA NOS LÍQUIDOS ORGÂNICOS
BILE			97,5% 
LINFA			96% 
SANGUE TOTAL		80% 
SALIVA			80% 
S. PANCREÁTIC		75%
H. AQUOSO		60% 
S. GÁSTRICO		30%
	
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Propriedades microscópicas da água
Estrutura Atômica e Molecular
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Estrutura atômica
“O ângulo de ligação do oxigênio às moléculas de hidrogênio é de 104, 5 o o que torna a molécula de água ASSIMÉTRICA”
Dois átomos de hidrogênio covalentemente ligados a um átomo de oxigênio.
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Ligações Covalentes na Água
Ligação covalente polar: 
Compartilhamento desigual de elétrons
	Pelo fato do hidrogênio ser menos ELETRONEGATIVO que o oxigênio, os elétrons compartilhados são “puxados” em direção ao átomo de oxigênio.
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Eletronegatividade – Medida da capacidade de um átomo de atrair elétrons para si em uma ligação covalente. 
Escala de Eletronegatividade
Está relacionada tanto ao tamanho do átomo (número de prótons) quanto a distância entre os elétrons da última camada e o núcleo. 
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Ligações Covalentes na Água
A maior atração dos elétrons compartilhados pelo átomo de oxigênio, devido a sua maior eletronegatividade, gera uma distribuição desigual de cargas elétricas entre os átomos, tornando a molécula de água parcialmente carregada.
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Cargas Parciais
As cargas são ditas PARCIAIS porque há apenas uma separação de cargas dentro da molécula. 
A molécula como um todo porém continua neutra.
As cargas parciais formam DIPOLOS ELÉTRICOS. 
A molécula de água apresenta 2 DIPOLOS ELÉTRICOS. 
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Ligação de Hidrogênio
“A presença das cargas parciais na molécula
de água faz com que tanto o átomo de oxigênio quanto os átomos de hidrogênio possam exercer atração eletrostática a outros átomos de moléculas de água vizinhas, formando assim as LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO”
+
+
2 -
2 -
+
+
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Ligação de Hidrogênio
 São ligações fracas, não covalentes.
Energia de Ligação = 29 KJ/mol 
Obs: Ligação Covalente tem EL = 464 KJ/mol.
 O  Forma ligações com até 2 H
 H  Forma ligação com 1 O
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Ligação de Hidrogênio
H2O sólido  ligação de hidrogênio fixas, formando uma rede regular.
H2O líquido  ligação de Hidrogênio em constante associação e dissociação. Tempo de vida da ligação é ~ 1 x 10 –9 segundos.
H2O vapor  Praticamente não há formação de ligação.
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Entropia do sistema aquoso
Segunda lei da Termodinâmica: 
“A entropia (∆S) do universo tende ao máximo”
Assim, mesmo em temperatura ambiente a água sofre evaporação espontânea, ou seja, tende a alcançar o seu estado de maior entropia.
∆S gelo < ∆S líquido < ∆S vapor
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As ligação de H e os solutos polares
As ligação de H não ocorrem apenas entre moléculas de água.
Podem formar-se entre um hidrogênio de um molécula qualquer que apresente dipolo e um átomo mais eletronegativo (normalmente O e N) de uma outra molécula ou da mesmo molécula.
Átomos de carbono não participam de ligação de H, porque a eletronegatividade do C (EN=2,5) é muito próxima da do H (EN =2,1). 
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Ocorrência de ligação de hidrogênio
Entre o grupo hidroxila de um álcool e o oxigênio da água
Entre o grupo carboxila de uma cetona e o hidrogênio da água
Entre aminoácidos de cadeias polipeptídicas
Entre bases nitrogenadas complementares no DNA
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“A vida como a conhecemos existe graças as propriedades especiais da água.” 
Por exemplo: 
Densidade do gelo < d H20 líquida
Baixa viscosidade 
Alta tensão superficial
Alto calor específico 
Alto calor de vaporização 
(Alto ponto de ebulição)
Estas propriedades incomuns resultam:
em grande parte das muitas ligação de hidrogênio formadas devido a presença de cargas parciais (2 dipolos) e favorecidas pela assimetria da molécula (ângulo H-O-H de 104,5 ).
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Propriedades macroscópicas da água
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1. Densidade
	É a razão entre a massa (g) de um corpo ou substância e o seu volume (cm3).
Densidade = g/cm3, sendo 1 cm3 = 1 mL
	A presença de ligação de hidrogênio fixas na água congelada, induz a expansão do seu volume e consequentemente a diminuição da sua densidade.
	
	Na forma de vapor, quando praticamente não existem ligação de hidrogênio, as moléculas estão muito distantes uma das outras, assim 1g de H20 está em um  vol., por isso sua  d. 
D H2O gás <<<< d H20 sólida < d H2O líquida
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1. Densidade
Qual a importância da menor densidade do gelo em relação a água para a manutenção da vida nos lagos e oceanos?
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2. Viscosidade*
 
	É a medida da resistência de um fluido ao escoamento ou deformação. Esta propriedade tem como origem as forças existentes entre as moléculas do fluido.
Água  Muitas ligação de hidrogênio
 PORÉM 
Baixa viscosidade 
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2. Viscosidade
 
Todos os líquidos tornam-se menos viscosos com o aumento da temperatura 
Água (0 C)	 			1,79 x 10-3 Pa.s
Água (37 C	) 			0,691 x 10-3 Pa.s
Água (100 C) 			0,282 x 10-3 Pa.s
Sangue (37 C)			4,0 x 10-3 Pa.s
Plasma Sanguíneo (37 C) 		1,5 x 10-3 Pa.s
Álcool (20 C) 				1,2 x 10-3 Pa.s
Pa.s (Pascal segundo)
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Energia cinética aumenta
Tempo médio que uma molécula passa na outra diminui
Forças intermoleculares menos efetivas
Viscosidade diminui
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3. Tensão superficial
 
	É a força mínima, ou trabalho, que necessita ser aplicada para a penetração de um corpo ou substância em uma superfície líquida.
 = força/área (N/m)
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3. Tensão superficial
 
	Resulta das forças de atração existentes entre as moléculas do interior do líquido.
	Estas forças ocorrem em todas as direções nas moléculas internas da substância.
	Nas moléculas de superfície, as forças apontam apenas para o interior do líquido, gerando uma tensão superficial.
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3. Tensão superficial
 
	O grande número de ligação de hidrogênio presentes na água confere a ela uma grande força interna, resultando em ALTA tensão superficial, quando comparada a de muitos outros líquidos.
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3. Tensão superficial
 
	Algumas substâncias têm a capacidade de diminuir a tensão superficial dos líquidos, são eles os surfactantes ou tensoativos. É o caso, por exemplo, dos detergentes e dos SURFACTANTES ALVEOLARES.
	
	Os alvéolos pulmonares funcionam como pequenas bolsas de ar que se enchem e se comprimem durante a inspiração e a expiração.
	As células que revestem os alvéolos são úmidas, assim a alta tensão superficial da água tende a atrapalhar as trocas gasosas e favorecer o colabamento dos alvéolos durante o seu esvaziamento.
	Estes efeitos são impedidos pela existência dos surfactantes alveolares. 
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 4. Calor específico
Calor específico da água  Muito alto
	É a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita para elevar sua temperatura em 1 C. 
	Quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura.
Substância         Calor específico (cal/gºC)
água                     			1,00
álcool                     			0,58
alumínio                   		0,219
chumbo                    		0,031
cobre                       		0,093
ferro                         		0,110
mercúrio                    		0,033
prata                         		0,056
vidro                        		0,20
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5. Calor de vaporização
0,54 Kcal/g  Quebra de ligação H  VAPOR
	É a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita para passar do estado líquido para o gasoso. 
	Ponto de ebulição é a temperatura em que esta conversão ocorre.	
Calor de vaporização da água  Alto
	
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5. Calor de vaporização
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5. Calor de fusão
	É a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita para passar do estado sólido para o líquido. 
	Ponto de fusão é a temperatura em que esta conversão ocorre.	
Calor de fusão do gelo  Alto
80 cal/g a 37 C e pressão de 1 ATM
80 cal/g  Quebra de ligação H fixas  Líquido
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5. Calor de fusão
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 Calor específico da água  Muito alto
 Calor de vaporização da água  Muito alto
 Calor de fusão da água  Alto
Moderador térmico:
 sistemas biológicos protegidos
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Água  Solvente universal
	A natureza polar e a capacidade de formar ligação de hidrogênio são a base para suas propriedades singulares como SOLVENTE.
Capaz de dissolver substâncias:
 Iônicas
 Polares 
 Anfipáticas
Água e Soluções
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Eletronegatividade e Polaridade
F = 3,98 4,0
O = 3,44 3,5
N = 3,0
Cl = 3,0
Br = 3,0
I, S, C = 2,3
H = 2,2
P = 2,1
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A água e os compostos polares
 São solúveis em água qualquer substância que possa formar ligação de hidrogênio com ela. Como exemplo temos os álcool etílico, rico em grupamentos OH.
Etanol 
Cerveja, vinho e cachaça são exemplos de misturas homogêneas.
 
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A água e os compostos anfipáticos
 Moléculas anfipáticas – apresentam grupos polares e apolares.
 Se solubilizam na água se a força das ligações polares formadas com a água conseguirem superar as forças hidrofóbicas entre as regiões apolares.
	Exemplo: Detergentes, Proteínas anfipáticas
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Compostos apolares
Não são solúveis em água
Compostos hidrofóbicos (benzeno, clorofórmio, hexano) 
Gases O2, N2 e CO2
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Soluções
Conceito de Solução: é uma mistura unifásica de mais de 1 componente: 
•	 sólido em líquido: sal + água
•	 líquido em líquido: álcool + água
•	 gás em líquido: dióxido de carbono + cerveja!
• 	sólido em sólido: liga Cu-Ni
Componente dispersor : solvente
Componente disperso: soluto
Uma solução aquosa é aquela em
que o solvente é a água (solvente natural de sistemas biológicos).
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Concentração de uma solução: 
É a relação entre soluto/solvente ou soluto/solução. 
É uma forma de expressar a quantidade de soluto em uma determinada quantidade de solução. 
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• Principais Formas de se Expressar a concentração de soluções: 
Percentual (%): 
Gramas de soluto por 100 mL de solução → % (m/v) 
mL de soluto em 100 mL de solução → % (v/v) 
Partes por milhão (p.p.m): 
Corresponde a 1 mg de soluto em 1 litro de solução 
Molaridade (M): 
Número de mols de soluto por L de solução; 
Forma mais comum de se expressar a concentração de uma substância; 
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Molaridade (M): 
Número de moles de soluto por L de solução; 
Forma mais comum de se expressar a concentração de uma substância; 
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Soluções Saturadas e Não-saturadas 
Cada soluto possui um limite de solubilidade em um determinado solvente;
 Solução Não-Saturada → Limite de solubilidade ainda não alcançado
 Solução Saturada → Limite de solubilidade alcançado
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SUSPENSÕES 
INTRODUÇÃO
São misturas bifásicas.
Há uma fase dispersa (interna) e uma fase dispersora (externa) que se separam com o passar do tempo.
As partículas são atraídas pelo campo Gravitacional, e sobem ou descem conforme a densidade da fase dispersora.
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SUSPENSÕES
O uso de estabilizantes que possuem afinidade pela fase dispersa ajuda a manter a homogeneidade por mais tempo.
 
DISPERSÕES
São suspensões de sólidos finamente pulverizados em meios líquidos com tendência a flocular ou agregar.
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SUSPENSÕES
EMULSÕES
São suspensões de líquido em líquido. 
AEROSSOL
Dispersão de sólido em gás. O gás serve de veículo para medicamentos.
ESPUMA
Quando gás se dissolve em líquidos, e se desprende, o líquido pode formar finas paredes envolvendo a bolha de gás.
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SUSPENSÕES
AGENTES INTERFÁSICOS
1- Umectantes, agem diminuindo o ressecamento.
Ex. evita o ressecamento de alimentos, são muito utilizados em doces com recheio (Glicerol, Sorbitana...)
2- Surfactantes, agem diminuindo a tensão superficial entre líquidos e gases. São importantes nas afecções respiratórias facilitando as trocas gasosas e evitando o colabamento dos alvéolos.
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SUSPENSÕES
3- Detergentes, diminuem o tamanho das partículas de óleo, solubilizam proteínas e outros compostos biológicos, facilitando sua remoção.
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Difusão, osmose e tônus
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Difusão
A difusão é um movimento das moléculas a partir de uma área de alta concentração para uma área com menor concentração da molécula.
Ocorre em meios gasosos, líquidos e até sólidos.
A difusão vai depender de vários fatores, entre os quais o número, o tamanho e a forma das partículas.
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Difusão
Número de partículas: Quanto maior o gradiente de concentração, mais rápida é a difusão.
Tamanho da partícula: Partículas menores se difundem mais rapidamente.
Forma: Cilindros se difundem mais rapidamente que as esferas.
Temperatura: Em temperaturas mais elevadas, a difusão é maior. 
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Difusão e Osmose
A difusão ocorre até que se atinja o equilíbrio.
Osmose: Movimento em que 
considera-se apenas o número das 
partículas.
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Osmose
Processo que a água passa entre dois meios de concentrações diferentes de soluto, separados por uma membrana semipermeável. 
Neste processo a água passa por meio hipotônico para o meio hipertônico. 
A força responsável por esse processo é denominada de pressão osmótica, onde é a pressão que a solução exerce sobre o líquido.
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Pressão hidrostática X pressão osmótica 
Pressão hidrostática é a força exercida pelo movimento de água.
Pressão osmótica é definida como a pressão hidrostática necessária para evitar o movimento de água quando a solução é separada de água pura por uma membrana semipermeável.
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Osmolaridade
Solução isosmótica: duas soluções contêm o mesmo número de partículas de soluto por unidade de volume.
Solução hiperosmótica: uma solução (A) possui uma osmolaridade maior que a solução (B).
 Solução hiposmótica: uma solução (A) possui uma osmolaridade menor que a solução (B).
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Tonicidade
Tonicidade: é um termo fisiológico utilizado para descrever uma solução e como esta solução afeta o volume da célula.
Não tem unidades, é apenas um termo comparativo.
Sempre compara uma solução e uma célula e, por convenção a tonicidade é usada para descrever apenas a solução.
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Tonicidade
Diz o que acontece com o volume da célula quando ela é colocada na solução.
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Tonicidade de soluções-plasmólise
Depende de:
1- Concentração da solução externa
2- Permeabilidade da membrana celular (coeficiente de reflexão(σ)). 
As membranas plasmáticas da maioria das células do corpo humano são 
permeáveis a água, sendo, porém, relativamente impermeáveis a muitos solutos.
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Tonicidade
O coeficiente de reflexão é específico de cada soluto e uma determinada membrana.
Varia de 0, para solutos extremamente permeáveis e 1, para solutos completamente impermeáveis.
σ = 0: permeável
σ = 1: não permeável
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Tonicidade de soluções-plasmólise
Isotônica 0,3 osm
Hipertônica 0,6 osm
Hipotônica 0,1 osm
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HENEINE, I. F. Biofísica Básica. Editora Atheneu, 2002.
 
LEHNINGER, A. L., COX, M. Princípios de Bioquímica. Editora Hardcover, 2004. 
ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K.; WALTER, P. Biologia Molecular da Célula, Editora Artmed,2004.
LEÃO, M. A. C. Princípios de Biofísica. Recife, Editora Universitária, Pernambuco, 1980.
Tensão superficial nos pulmões: http://sbqensino.foco.fae.ufmg.br/uploads/t6/X_/t6X_yXaKPZghvOanasnhMg/v16_A02.pdf
Bibliografia 
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