Aula 1 FV1 Fisiologia introdutório 2

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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
Objetivo da Fisiologia : 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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Importante: a Fisiologia não é uma ciência estática, e seu estudo tem continuamente evoluído.
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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2. 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 as células liberam seus produtos finais para os líquidos que as banham,
Quase todas as células são capazes de se reproduzir*. 
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2.1 OS AMBIENTES INTERNO E EXTERNO DAS CÉLULAS
	A maior parte do corpo de um animal é composta por água, distribuída entre os 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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2.2 MANUTENÇÃO DA HOMEOSTASIA
Homeostasia: manutenção das condições no meio interno quase constantes, 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: Garante um meio hígido (saudável) para as células: remoção de CO2 pelos pulmões, excreção renal, excreção fecal.
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Regulação das funções corporais:
Sistema nervoso (parte sensorial, parte integrativa e parte motora); regula principalmente atividades musculares e secretórias,
Sistema hormonal, com glândulas endócrinas cujos produtos atingem as células através dos líquidos que as envolvem; geralmente regula funções metabólicas.
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2. 3 CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS DE CONTROLE
A maioria dos sistemas controladores age por retroalimentação negativa (feedback negativo), ou seja, uma regulação no sentido inverso para controlar um evento e/ou produto. Exemplos:
Para regular altas concentrações de CO2 no líquido extracelular, estímulos nervosos desencadeiam maior ventilação pulmonar, retirando o gás do meio interno,
Com altas pressões arteriais, uma série de alterações ocorrem para promover a redução dessa pressão, relaxando vasos e reduzindo as contrações cardíacas; o inverso ocorreria com baixa pressão arterial
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O feedback positivo é menos comum no controle de eventos fisiológicos; pode, às vezes, causar ciclos viciosos e até a morte:
- Perda de muito volume sanguíneo
O feedback positivo pode ser útil em alguns casos:
Na hemorragia, com a agregação de várias células para formar um coágulo,
No parto, com aumento das contrações uterinas que permitem a expulsão do filhote.
Controle adaptativo: mais complexo, depende do sistema nervoso, tal como o controle dos movimentos do corpo
 
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Caso 1: feedback negativo atuando, contraindo vasos e aumentando a contração cardíaca
Caso 2: o feedback negativo não consegue reverter o quadro, e o feedback positivo instalado (menos sangue causando menor bombeamento) leva à morte
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A CÉLULA ANIMAL
TRANSPORTE ATRAVÉS DE MEMBRANAS CELULARES
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O TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
	3 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; também estão presentes carboidratos.
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Barreira lipídica dupla: fosfolipídios em sua maioria, com a porção fosfato (cabeça) voltada para a camada hídrica e a cauda voltada para a parte interna; também está presente colesterol 
Proteínas:
Estruturais (sustentação celular, formando filamentos)
Funcionais (forma tubular-globular, geralmente móveis); as enzimas pertencem a essa categoria
Na membrana: Proteínas Integrais e Proteínas Periféricas
Carboidratos: Compõem o “glicocálice” celular e tem por função:
(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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4 VIAS DE TRANSPORTE: DIFUSÃO E TRANSPORTE ATIVO
 
	DIFUSÃO (“transporte passivo”): ocorre através da bicamada lipídica ou pelo interior de proteínas integrais. A energia utilizada no processo é a energia cinética (movimentação constante das moléculas e íons nos líquidos e gases corporais, só cessando 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 suaenergia de movimento; esse processo ocorrendo garante que todas as moléculas e íons em um sistema sempre estejam em movimento.
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4.1 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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4.2 DIFUSÃO DE SUBSTÂNCIAS HIDROSSOLÚVEIS:
Água: É a molécula com maior energia cinética que atravessa pelos canais proteicos (também há água em seu interior). Os canais específicos para água são chamados Aquaporinas, e variam em número dependendo do tecido. 
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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4.3 DIFUSÃO SIMPLES X DIFUSÃO FACILITADA:
 
Difusão simples: ocorre através de proteínas de canal, sem necessidade de fixação da substância à proteínas carreadoras da membrana. Esses canais formam vias aquosas atravessando de um lado ao outro da membrana.
Difusão facilitada: exige
a interação da molécula ou
íon com proteína carreadora,
provavelmente por fixação,
Para passar pela membrana.
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5 DIFUSÃO SIMPLES
Seletividade dos canais protéicos para a difusão simples
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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5.1 CANAIS PROTÉICOS COM COMPORTAS: TIPOS
	Muitos canais que permitem a difusão simples possuem estruturas que os mantêm abertos ou fechados, dependendo de alterações na membrana: são os canais com comportas
	Podem ser de 3 tipos:
1) 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
Proteína de canal voltagem-dependente para o cloro, em seus diferentes estados.
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2) 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).
3) CANAIS RESPONSIVOS À PRESSÃO MECÂNICA: muitos canais com comporta podem se abrir por compressão sobre sua estrutura
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6 DIFUSÃO FACILITADA
Também chamada de difusão mediada por carreador: a molécula transportada entra 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 nunca poderá ser maior do que o tempo necessário para que ocorram as alterações na proteína
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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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FATORES INFLUENCIANDO A VELOCIDADE DE DIFUSÃO
1 INERENTES À MEMBRANA
 Permeabilidade da membrana: influem as seguintes variáveis:
Grau de 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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	FATORES INFLUENCIANDO A VELOCIDADE DE DIFUSÃO
2 INERENTES À 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 nas concentrações de substâncias diluídas.
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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7 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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7.1 TRANSPORTE ATIVO PRIMÁRIO X 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. No transporte ativo essa proteína transferirá energia para que a substância possa se mobilizar contra seu gradiente eletroquímico
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TRANSPORTE ATIVO 1ário, com gasto de energia
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Ex. 1 de transporte ativo 1ário: 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 receptorespara 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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Mecanismo:
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++(2 K+ internos) + P
E2- Mg++(2 K+ internos) E1 + 2 K+ + Mg++
Ex. 2: BOMBA DE CÁLCIO
O Ca++ é mantido em concentrações muito baixas no líquido intracelular; para isso existem duas bombas de Ca++, uma na membrana celular bombeia o íon para o exterior da célula e outra bombeia o Ca++ para o interior de organelas vesiculares.
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TRANSPORTE ATIVO SECUNDÁRIO : CO-TRANSPORTE E CONTRA-TRANSPORTE
Quando ocorre o transporte de Na+, o gradiente de concentração elevado criado no exterior da célula representa reservatório de energia; havendo possibilidade de entrada do íon na célula, essa energia “puxa” outras substâncias para o interior (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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TRANSPORTE ATIVO 2ário , com energia derivada de gradiente iônico
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FORMAS DE TRANSPORTE DE MEMBRANA VIA PROTEÍNAS
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SOBRE A RESPOSTA FISIOLÓGICA...
 O “ligando” é um neurotransmissor ou um hormônio. Não se pode relacionar o ligando sempre com a mesma resposta: o mesmo ligando pode provocar resposta diferente dependendo do receptor no qual interage (para o mesmo ligando pode haver diferentes receptores)
Por exemplo, a acetilcolina se acopla em 2 receptores:
Nicotínicos: são canais para passagem de íons
Muscarínicos: não se abrem mas sim enviam informações diferentes para a célula, através de 2os-mensageiros* (Figura)
* A resposta envolvendo 2os-mensageiros começa sensibilizando proteínas membranares e posteriormente outras proteínas intracelulares, todas relacionadas em uma cadeia bioquímica. A interação ocorre quando essas proteínas na membrana se chocam (estão mergulhadas na bicamada lipídica e têm mobilidade nesse meio) 
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PROTEÍNA G, REGULATÓRIA PARA PRODUÇÃO DE SEGUNDO-MENSAGEIROS 
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LEITURA DE DIFERENÇA DE POTENCIAL ELÉTRICO ENTRE AS FACES DA MEMBRANA CELULAR:
A. Alteração de voltagem causando abertura ou fechamento do canal de Na+, pelo princípio do tudo-ou-nada
B. O osciloscópio de voltagem tem um medidor que recebe variação de voltagem de uma micropipeta posicionada no líquido externo e outra que “suga” a membrana e capta a variação de voltagem ocorrendo nesse ponto específico da membrana
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