FISIOLOGIA- Fisiologia introdutória

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DE AGRONOMIA E MEDICINA VETERINÁRIA
FISIOLOGIA VETERINÁRIA 1
INTRODUÇÃO À FISIOLOGIA
TRANSPORTE ATRAVÉS DE MEMBRANAS CELULARES
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1 DEFINIÇÕES
O objetivo da Fisiologia é explicar os fatores físicos e químicos responsáveis pela origem, desenvolvimento e progressão da vida.
	Para analisá-los são utilizados principalmente métodos biofísicos e bioquímicos.
Algumas denominações empregadas:
Fisiologia Animal: Estuda características e mecanismos específicos do corpo dos animais que os mantém vivos. O estudo é focado nos órgãos dos sentidos, nos sistemas nervosos central e periférico e nos músculos, além do estudo do movimento e do comportamento. 
Fisiologia Vegetativa: Estuda o chamado Sistema Vegetativo: coração e circulação, sangue e respiração, digestão e absorção, metabolismo e trocas energéticas, regulação da temperatura e excreção.
Fisiologia dos animais domésticos: Estuda os fenômenos vitais especificamente das espécies domesticadas pelo homem.
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A Fisiologia não é uma ciência estática, e seu estudo tem evolucionado. Com o conhecimento atual de bases moleculares da regulação biológica, podemos afirmar que:
A Fisiologia estuda a regulação das alterações que ocorrem nos organismos dos animais superiores, sendo que...
Toda alteração fisiológica é mediada por proteínas, e
A função proteica, em última análise, pode ser subdividida em: catálise, acoplamento, transporte, estrutura e sinalização.
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A CÉLULA ANIMAL
TRANSPORTE ATRAVÉS DE MEMBRANAS CELULARES
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2 INTRODUÇÃO À FISIOLOGIA
2.1 UNIDADES FUNCIONAIS: CÉLULAS
Células: são as unidades vivas básicas do corpo, adaptadas para exercer uma função determinada.
Órgãos: agregado de diferentes células, mantidas juntas por estruturas intercelulares de sustentação.
Características básicas das células: em todas as células há reação do oxigênio com compostos energéticos, necessária para o seu funcionamento; todas elas também liberam seus produtos finais para os líquidos que as banham. Quase todas as células são capazes de se reproduzir*. 
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2 INTRODUÇÃO À FISIOLOGIA
2.2 OS AMBIENTES EXTERNO E INTERNO DAS CÉLULAS
	A maior parte do corpo de um animal é composta por água, distribuída entre líquidos intra e extracelular (LEC).
	O LEC se divide entre o plasma sanguíneo e líquido intersticial e dele provêm íons e nutrientes necessários para os processos vitais celulares.
Líquido extracelular: grandes quantidades de Na+, Cl- e HCO3-, além de glicose, ácidos graxos e aminoácidos.
Líquido intracelular: grandes quantidades de K+, Mg++ e HPO4--.
	Essas diferenças são mantidas por mecanismos especiais para o transporte desses íons através da membrana celular; essas diferenças iônicas auxiliam na homeostasia* do organismo.
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A. Eletrólitos
B. Não-eletrólitos, no líquido extracelular
Célula
Fluído intersticial
Plasma
Célula
Fluído intersticial
Plasma
Ácido lático
Uréia
Ácido úrico
Creatinina
Bilirrubina
Sais biliares
Gordura neutra
Colesterol
Fosfolipídios
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Composição quantitativa média dos líquidos intra e extracelulares em humanos
Obs:
Os componentes do LEC provém da atividade respiratória pulmonar, da absorção no trato gastrintestinal, do fígado e outros órgãos/tecidos com funções metabólicas (adipócitos, mucosa gastrintestinal, rins, glândulas endócrinas, sistema músculo-esquelético).
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2 INTRODUÇÃO À FISIOLOGIA
2.3 MANUTENÇÃO DA HOMEOSTASIA
Homeostasia: manutenção das condições estáticas - ou constantes - do meio interno, garantindo a sobrevivência celular.
Sistema de transporte interstício - sistema circulatório: ocorre troca contínua de líquido extracelular* entre o sangue e o líquido intersticial, para atender a demanda das células.
Remoção dos produtos finais do metabolismo: remoção de dióxido de carbono pelos pulmões, trabalho renal, excreção fecal.
	Garante um meio hígido para as células.
Regulação das funções corporais: controle efetuado pelo sistema nervoso (parte sensorial e parte motora) e pelo sistema hormonal (com glândulas endócrinas cujos produtos geralmente regulam funções metabólicas).
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2 INTRODUÇÃO À FISIOLOGIA
2.3 MANUTENÇÃO DA HOMEOSTASIA
CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS DE CONTROLE
A maioria dos Sistemas age por feedback negativo, ou seja, uma regulação inversa para controlar um evento e/ou produto
Ex 1: na regulação da concentração de CO2 as altas quantidades do gás no líquido extracelular aumentam a ventilação pulmonar
Ex 2: na alta pressão arterial, uma série de alterações ocorrem para promover a redução dessa pressão; o inverso também ocorreria
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2 INTRODUÇÃO À FISIOLOGIA
2.3 MANUTENÇÃO DA HOMEOSTASIA
O feedback positivo pode, às vezes, causar ciclos viciosos e até a morte
Ex 1: perda de muito volume
 sanguíneo
Ex 2: feedbacks positivos úteis
 na hemorragia, no parto
 
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
	CARACTERIZAÇÃO DA MEMBRANA CELULAR
É uma estrutura fina, flexível e elástica entre 7,5 e 10 nm de espessura. A composição aproximada é de 55% de proteínas, 25% de fosfolipídios, 13% de colesterol, 4% de outros lipídios e 3%de carboidratos, daí serem chamadas membranas lipoproteicas*.
*geralmente a relação, em base de peso, é de 4:1 (ptn : lip), havendo exceções.
Bicamada lipídica: não é miscível com os líquidos intra e intercelular, porém algumas substâncias podem atravessá-la.
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Membrana plasmática. Bicamada lipídica, com espessura de 40 ângstrons, atuando como líquido bidimensional, no qual as estruturas protéicas estão mergulhadas, atuando como bombas ou canais
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CARACTERIZAÇÃO DA MEMBRANA CELULAR
Barreira lipídica: Fosfolipídios X Colesterol
Proteínas: Estruturais (sustentação celular) X Funcionais
Proteínas Integrais e Proteínas Periféricas
Carboidratos: Compõem o “glicocálice” celular
Funções:
(1) repelir ânions , por sua carga negativa
(2) fixação celular, por entrelaçamento dos filamentos
(3) receptores para ligação de hormônios 
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Fosfolipídios da membrana celular
Porção hidrofílica
Porção hidrofóbica
Grupo de cabeça polar: fosfato
Cauda (apolar): ácido graxo
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Organização lipídica na membrana
Hidrofóbicos dentro
Hidrofílicos fora
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Proteínas funcionais integrais da membrana
canal
carreador
receptor
Obs: os canais e os carreadores são utilizados como vias de transporte para as substâncias hidrossolúveis
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
3.1 VIAS DE TRANSPORTE: DIFUSÃO E TRANSPORTE ATIVO
 
	DIFUSÃO (“transporte passivo”): ocorre devido à movimentação constante das moléculas e íons nos líquidos e gases corporais (sem movimentação no zero absoluto).
	Para compreender o processo, considere a seguinte situação:
	Uma molécula A em movimento se aproxima de uma molécula estacionária B e as forças eletrostáticas e internucleares da primeira repelem a segunda molécula, transferindo para esta parte de sua energia de movimento; esse processo ocorrendo garante que todas as moléculas e íons em um sistema sempre estejam em movimento.
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DIFUSÃO DE SUBSTÂNCIAS LIPOSSOLÚVEIS:
Quanto mais lipossolúvel a substância, maior facilidade de se dissolver na bicamada lipídica
 	
oxigênio, nitrogênio, CO2 
álcool
	Razão da incapacidade de difusão de íons através da bicamada lipídica:
Apesar do pequeno tamanho dos íons, a impermeabilidade da camada lipídica está relacionada com a carga elétrica,
A carga dos íons interage com as cargas da bicamada lipídica (que é polar, com as cargas negativas voltadas para a superfície da membrana).
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
DIFUSÃO DE SUBSTÂNCIAS HIDROSSOLÚVEIS:
Água: É uma exceção, pois passa* pela bicamada lipídica e também pelos canais proteicos.
	Os canais específicos para água são chamados Aquaporinas, e variam em número dependendo do tecido. 
* provavelmente por seu pequeno tamanhoe grande energia cinética. Ex: em 1 seg a quantidade de água que atravessa a membrana de um eritrócito é cerca de 100 vezes o volume da própria célula.
Outras moléculas e íons hidrossolúveis: a permeabilidade fica dificultada conforme aumenta o tamanho molecular
Obs: a carga elétrica dos íons pode atrair moléculas de água, formando íons hidratados de dimensões bem maiores (Figura)
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A. Moléculas de água como gelo, formando tetraedros
B. Água sob forma líquida, com suas moléculas formando grumos
C. Molécula de sódio hidratada, com tamanho aumentado, reduzindo sua capacidade de passar pelo poros da membrana celular 
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
	DIFUSÃO SIMPLES X DIFUSÃO FACILITADA:
 
Difusão simples: ocorre através das proteínas de canal, sem necessidade de fixação à proteínas carreadoras da membrana. Os canais formam vias aquosas pelo interstício da molécula que atravessa de um lado ao outro da membrana.
Difusão facilitada: exige a interação da molécula ou íon com a proteína carreadora, provavelmente por fixação, para passar pela membrana.
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
DIFUSÃO SIMPLES POR CANAIS PROTÉICOS
Os canais apresentam permeabilidade seletiva devido a:
diâmetro do canal
forma e
cargas elétricas ao longo de sua superfície interna.
Ex.1: canais de Na+ têm pequeno diâmetro e interior com forte carga negativa, “puxando” os íons sódio (positivos, e de tamanho diminuto quando desidratados).
Ex.2: canais seletivos para K+ não têm carga negativa mas são de diâmetro muito pequeno, permitindo a passagem da forma hidratada do potássio, bastante pequena.
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CANAIS PROTÉICOS COM COMPORTAS: TIPOS
	Muitos canais possuem estruturas que os mantêm abertos ou fechados dependendo de alterações na membrana: possuem comportas
Canais voltagem-dependentes: a conformação molecular da comporta depende do potencial elétrico entre as faces da membrana. P. ex., quando há forte carga negativa na superfície interna, as comportas para Na+ ficam fechadas. Quando o potencial elétrico da membrana for invertido, permitirá a abertura da comporta. Vários íons atravessam a membrana por canais com comporta específicos (Figura)
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Funcionamento dos canais voltagem-dependentes
Os canais voltagem-dependentes possuem fluxo de corrente do tipo tudo-ou-nada:
a comporta abre com um valor específico de potencial da membrana e pode ficar aberta durante o tempo que ocorrer potencial equivalente ou superior,
fica fechada quando o potencial está abaixo do necessário para a resposta; pode abrir intermitentemente quando há variações nesse potencial (desde que atinja um fluxo médio de corrente). A comporta abre ou fecha rapidamente, em miliseg.. 
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Aberta
Inativada
MEMBRANA DESPOLARIZADA
MEMBRANA POLARIZADA
Fechada
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CANAIS PROTÉICOS COM COMPORTAS: TIPOS
Canais ligando-dependentes: a abertura do canal depende da fixação de outra molécula (o “ligando”) à proteína, causando alteração conformacional desta (ex.: canal de acetilcolina).
Canais responsivos à pressão mecânica: muitos canais com comporta podem se abrir por compressão sobre sua estrutura
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
DIFUSÃO FACILITADA
Também chamada de difusão mediada por carreador; aqui a molécula transportada penetra em uma proteína de canal, fixando-se a ela. Ocorre uma transformação na conformação da proteína, de modo que seu canal se abre do lado oposto da membrana.
A velocidade de transporte então nunca será maior do que o tempo necessário para se procederem alterações na molécula protéica.
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A intensidade de difusão é determinada pela quantidade de substância disponível, a velocidade do movimento cinético e o número e tamanho de canais
A velocidade máxima é determinada pela alteração conformacional do carreador; com a mesma diferença de concentração ou elétrica, o tempo de difusão tende a ser maior
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
FATORES INFLUENCIANDO A VELOCIDADE DE DIFUSÃO
1 MEMBRANA
 Permeabilidade da membrana: têm influência na permeabilidade as seguintes variáveis:
Lipossolubilidade da substância a se difundir
Número de canais protéicos por onde passará a substância
Temperatura 
Peso molecular da substância
Espessura da membrana
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
	FATORES INFLUENCIANDO A VELOCIDADE DE DIFUSÃO
2 SUBSTÂNCIA
Diferença de concentração: a velocidade de difusão pela membrana depende das concentrações da substância dos lados interno e externo da célula (indica quantas moléculas se chocam com a abertura dos canais a cada segundo). 
Potencial elétrico: quando há diferença de potencial elétrico entre as faces da membranas, os íons irão atravessá-la, independente de suas concentrações interna e externa.
Diferença de pressão: pressão exercida pelas moléculas sobre uma área da membrana em determinado instante. Se aplica a diferenças de pressão osmótica, hidrostática, oncótica e dos gases. (Figura)
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A. Osmose: movimento efetivo da água através de membrana, causado por diferença das suas concentrações.
B. Pressão osmótica * : é a quantidade de pressão necessária para interromper a osmose. A pressão osmótica é determinada pelo número de partículas por volume líquido (não pela massa). Quanto mais partículas em movimento, maior será a pressão; partículas maiores ou menores acabam se equiparando, pois têm diferentes velocidades.
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Equilíbrio de Gibbs-Donnan. A presença de proteína, com carga negativa, no interior da célula, demasiadamente grande para passar pelos poros da membrana, afeta os íons difusíveis (principalmente K+ e Cl-,).
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
TRANSPORTE ATIVO
Nenhuma substância pode difundir-se contra um “gradiente eletroquímico” (soma das forças geradas por diferença de concentração, potencial elétrico e pressão).
Porém por vezes é necessária a concentração elevada de uma substância no líquido intracelular, mesmo com baixas concentrações da mesma no líquido extracelular; o inverso pode ocorrer (exemplo são os íons sódio e potássio).
Principais substâncias transportadas ativamente: sódio, potássio, cálcio, ferro, hidrogênio, cloreto, iodeto, urato, vários açucares e a maioria dos aminoácidos.
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
TRANSPORTE ATIVO PRIMÁRIO E SECUNDÁRIO
No transporte ativo primário a energia é fornecida diretamente pela degradação do ATP
No transporte ativo secundário a energia é derivada, secundariamente, de gradientes iônicos criados a partir do transporte primário
	Obs : nos dois casos são necessárias proteínas carreadoras, porém no transporte ativo essa proteína transfere energia para que a substância possa se mobilizar contra seu gradiente eletroquímico
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
	Ex 1: A BOMBA DE SÓDIO-POTÁSSIO
São bombeados íons Na+ para fora e ao mesmo tempo, bombeia íons K+ para dentro.
A proteína carreadora possui três sítios receptores para fixação de Na+ em saliência da molécula, no interior da célula e dois sítios receptores para o K+ em sua porção externa.
A região interna da proteína (próxima dos locais de fixação do sódio) apresenta atividade ATPásica.
Para a ligação dos íons Na+ na molécula são necessários íons Mg++, que formam complexo com ATP e provocam a fosforilação da proteína. Ocorre então uma sequência de alterações conformacionais na proteína, permitindo a ligação dos íons e a liberação do fosfato inorgânico no interior da célula; após a liberação do Mg++, a enzima volta a seu estado original.
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
E1 + Mg++-ATP + 3 Na+ (internos) E1-P-Mg++ (3 Na+) + ADP
E1-P-Mg++(3 Na+internos) E2-P-Mg++ + 3 Na+ (externos)
E2-P-Mg++ + 2 K+ (externos) E2-P-Mg++ (2 K+)
E2-P-Mg++(2 K+) E2-Mg++(2K+ internos) + P
E2- Mg++(2 K+ internos) E1 + 2 K+ + Mg++
	EX 2: A BOMBA DE CÁLCIO
Esse íon é mantido em concentrações muito baixas no líquido intracelular. Para isso existem duas bombas de Ca++, uma na membrana celular e outra para bombeamento do Ca++ para organelas vesiculares.
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3 O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
TRANSPORTE ATIVO SECUNDÁRIO : CO-TRANSPORTE E CONTRA-TRANSPORTE
Quando ocorre o transporte de Na+, seu gradiente de concentração muito elevado (alta concentração no exterior da célula) representa reservatório de energia, que pode “puxar” outras substâncias para dentro da célula (co-transporte). Esse processo é importante no transporte da glicose e aminoácidos.
Quando a substância está contida no interior da célula e aproveita a energia do gradiente de concentração do sódio para sair, isso é chamado contra-transporte. Com exemplos importantes há os contra-transportes de Ca++ (em quase todas as membranas celulares) e de H+(ocorre nos túbulos proximais do rim).
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Sobre a resposta fisiológica...
 O “ligando” pode ser um neurotransmissor ou um hormônio
Não se pode relacionar um ligando sempre com a mesma resposta: um mesmo ligando pode provocar resposta diferente dependendo do receptor com o qual interage (há diferentes receptores que permitem o acoplamento de um mesmo ligando)
Por exemplo, a acetilcolina se acopla em:
receptores nicotínicos: são canais iônicos
Receptores muscarínicos: enviam informações diferentes para a célula, através de segundos-mensageiros* (Figura)
* A resposta envolvendo segundos-mensageiros começa com a sensibilização de proteínas membranares e posteriormente outras proteínas intracelulares, relacionadas com uma cadeia bioquímica. A interação ocorre quando essas proteínas na membrana se chocam (estão mergulhadas na bicamada lipídica e têm movimento nesse meio) 
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Proteína G, regulatória para produção de segundo-mensageiros 
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Metodologia para leitura de diferença de potencial elétrico entre as faces da membrana celular