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Bioeletrogênese Universidade Federal do Piauí Biofísica para Ciências Biológicas Profa. Aldeídia Oliveira Bioeletrogênese Profa. Aldeídia de Oliveira 11 Membrana Plasmática - lipoproteica 22 Membrana Plasmática Funções Composição PropriedadesPropriedades 33 Funções Proteção Permeabilidade Seletiva Composição Química Lipídeos Proteínas PropriedadesPropriedades ElasticidadeElasticidade RegeneraçãoRegeneração Permeabilidade da membrana • Por sua natureza lipofílica sóa atravessa a membrana substancias solúveis em lipídeos. 44 • As demais substancias necessitam de transportadores (proteínas). Estruturas de membrana Receptores Canais iônico Enzima Junções comunicantes 55 Membranas excitáveis Elevada resistência elétrica decorrente da extensa superfície líquida. 66 Todas as funções celulares são decorrentes de corrente elétrica gerada pelo movimento dos íons entre o meio interno e externo da célula. Eletricidade celular • As transmissões de correntes elétricas internas ocorrem através das sinapses. • Correntes externas quando fluem através dos órgãos vitais podem causar danos biológicos ou a morte. 77 vitais podem causar danos biológicos ou a morte. • Correntes elétricas manifestam-se: • calor • elemento de defesa (peixe elétricos – 300 volts) • elemento de navegação (animais aquáticos) • funções celulares (sinapse) Excitabilidade celular • Todas as células apresentam uma diferença de potencial elétrico (voltagem) através da membrana. Polaridade (negativa/positiva) 88 Polaridade (negativa/positiva) • Alterações na permeabilidade iônica da membrana levam a alterações do potencial da membrana. • Permeabilidade = passagem de íon através de canais iônico da membrana. Canais iônico Filtro de seletividade São proteínas que formam poros hidrofílicos, que atravessam a dupla camada lipídica da membrana plasmática. E são transportadores de íons. 99 Filtro de seletividade (canal iônico)Meio extracelular Citosol ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++---- ---- -- ---------- -- ++++++++ Excitabilidade celular Células excitáveis: apresentam a capacidade de alteração do potencial de membrana. LIC ++ ++ ++ ++ ++ ++++ ++ ++++++ ++ ++ ++ ++-- -- ------ ---- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- ++++ LIC LEC Potencial de repouso = -70 mV 1010 Potencial de membrana ? Diferença de carga elétrica entre o lado externo e o lado interno da membrana celular. Gerado pelo movimento dos íons através da membrana, importante no funcionamento elétricomembrana, importante no funcionamento elétrico das células. Mantém o gradiente de concentração intra e extracelular. 1111 R ++++++++++++++++++++++++ +++++ Comportamento Elétrico da Membrana Celular EE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Circuito R C Modelo de membrana celular +++++ - - - - - II 1212 • Cargas elétricas de sinais opostos separadas têm o potencial de aproximar-se - potencial elétrico (E) mvolts ou mV; (Polo negativo e positivo) Comportamento Elétrico da Membrana Celular positivo) • A diferença na quantidade de cargas entre os dois compartimentos é chamada de diferença de potencial - ddp; (osmolaridade LIC e LEC). 1313 • O movimento de cargas elétricas é chamada de corrente - I; (transporte através de canal) Comportamento Elétrico da Membrana Celular • O impedimento ao movimento das cargas elétricas é chamada de resistência - R; (porção hidrofóbica dos lipídios de membrana) 1414 • Materiais com alta resistência elétrica, que reduzem o fluxo de corrente são chamados de isolantes (Lipidios). Comportamento Elétrico da Membrana Celular • Materias com baixa resistência que permitem o fluxo rápido de corrente são chamados de condutores (neurônios). 1515 O efeito da voltagem E e da resistência R sobre a corrente I é dada pela lei de Ohm; Comportamento Elétrico da Membrana Celular E R I = 1616 Potencial de membrana • As células apresentam uma diferença de potencial - (intra e extracelular). – Intracelular – negativo (excesso de cargas negativas).negativas). – Extracelular – positivo (excesso de cargas positivas). • Essa diferença gera um potencial de membrana. 1717 Potencial de repouso da membrana • 1- diferença nas concentrações entre os líquidos: intra e extracelular A magnitude do potencial de repouso é determinada por dois fatores: intra e extracelular • 2- diferenças nas permeabilidades da membrana aos diferentes íons. 1818 Distribuição de íons através da membrana íons Extracelular (mmol/L) Intracelular (mmol/L) Na+ 150 15 Cl- 110 10 K+ 5 140 Cada um desse íons tem uma diferença de concentração de 10 a 30 vezes entre os lados intra e extracelular. 1919 Célula artificial A membrana é impermeável A O lado interno da célula desenvolve um Potencial de equilíbrio iônico A membrana é permeável somente ao K+ Difusão a favor do gradiente de concentração B O lado interno da célula desenvolve um potencial de membrana negativoC Gradiente elétrico do K+ Gradiente de concentração do K+ 2020 Como acontece equilíbrio de um íon? Se a membrana for permeável somente ao íon sódio o que pode ocorrer?sódio o que pode ocorrer? 2121 (1) 0,15M Na Cl (2) 0,15M KCl _ _ _ _ + + + Na+ Na+ Membrana permeável somente ao sódio _ + K+ Na+ Na+ + + _ _ Na + K+ Na+ K+ Na+Na+ + + + _ _ _ K+ _ _ + + + Na+ 2222 (1) 0,15M Na Cl (2) 0,15M KCl _ + K+ Na+ _ K+ _ _ _ _ + + + + Na+ Na+ Membrana permeável somente ao sódio + + _ _ Na + K+ Na+ + + _ _ K+ Na+Na+ Potencial de equilíbrio para Na+ Força de Força Concentração Elétrica +60 mV = 2323 Calculando o potencial de equilíbrio iônico A Equação de Nernst – descreve o potencial elétrico necessário para equilibrar um dado gradiente de concentração iônica através da membrana de forma que oconcentração iônica através da membrana de forma que o fluxo efetivo de íons seja zero. 2424 Onde: R= 8,315 J/K-1 mol-1 ( resistência elétrica); Vm = RT Z F [íon]e [íon]i log Equação de Nernst R= 8,315 J/K-1 mol-1 ( resistência elétrica); T= temperatura absoluta em Kelvin F= 96485 C/mol-1 (constante Farady) Z é a carga elétrica do íon [íon] é a concentração de íons fora e dentro da célula = 61 2525 EK+ = -88 mV Membrana somente permeável ao K + EK += 61 +1 [5 mM] [140mM] log Potencial equilíbrio para o íon sódio Gradiente de concentração do K+ Gradiente elétrico do K+ 2626 EK += 61 +1 [5 mM] [140mM] log Calculando o Log...! 0,036 = 36/1000 ou Log 36 – Log 1000 = 1,56 – 3= -1,44 EK+ = 61 x (-1,44) = - 88 mV 2727 ENa+ = 61 mV Potencial de Equilíbrio ao Na + ENa+ += 61 +1 [150mM] [15 mM] log Potencial equilíbrio para o íon sódio Gradiente de concentração do Na+Gradiente elétrico do Na + 2828 Bomba de Na+/ K+ATPase : bomba eletrogênica A bomba de Na+/K+ contribui Como é mantido o potencial de membrana? Fluido extracelular 0 mV Fluido intracelular A bomba de Na+/K+ contribui para o potencial de membrana pelo bombeamento de 3 Na+ para fora e 2 K+ para dentro. 2929 � São quaisquer tipo de perturbação, capaz de diminuir a negatividade da membrana. O que é Potencial de ação? � São iniciados pela entrada de íons através de canais iônicos dependentes de voltagem. � Os potencias diferem de célula a célula dada a quantidade e tipos de canais iônicos existentes. 3030 Canais iônico e Potencial de ação 3131 Canal de sódio - Desenvolve o PA 3232 Canal de Potássio – Regulam o potencial de membrana em resposta á despolarização da membrana. 3333 Difusão do íon sódio gera positividade interna e despolariza a célula. Início do Potencial de Ação 0- Repouso 1- Despolarização Fonte: http://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.html Canal de Na+ 1 0 3434 Saída de íons de K+ diminui a positividade interna da célula – Repolarização. 2 Potencial de Ação 0- Repouso 1- Despolarização2- Repolarização 3- Hiperpolarização2 1 0 3 Fonte: http://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.html 3535 - Os canais de Na+ são os responsáveis primários pelo potencial de ação. - Podemos pensar no potencial de ação como um evento “tudo ou nada”. Potencial de Ação 3636 1- Repouso: A membrana se encontra polarizada, isto é, mantendo alta negatividade interna. 2- Despolarização: aumento da permeabilidade de membrana ao sódio (influxo de Na+); Etapas do potencial de ação 3- Repolarização: Fechamento de canais de Na+ e abertura de canais de K+ 4- Hiperpolarização: excesso de saída do íon potássio- alta negatividade da membrana. 3737 � Fibras nervosas amielinizada – a membrana do axônio está em contato direto com os tecidos vizinhos. � Fibras mielinizada - bainha de mielina Condução do potencial de ação � Fibras mielinizada - bainha de mielina envolvendo o axônio. �A bainha de mielina é originada da célula de Schwann e contém esfingomielina (isolante). 3838 • Ortodrômica (ortos = certo; dromos = pista) – condução no sentido naturalmente programado para o nervo. Tipos de condução neuronal para o nervo. • Antidrômica (anti = contra; dromos = pista) – condução que se propaga em sentido contrário. 3939 Estrutura do neurônios 4040 Potencial saltatório em consequência do excesso de canais de sódio. 4141 • Inativação ou bloqueio dos canais de sódio (receptores nicotínicos). • Recaptação ou degradação do Inibição da condução (inibição do PA) • Recaptação ou degradação do neurotransmissor • Ex. bloqueadores ganglionares, toxina botulínica (botox), anestésicos locais, acetilcolinesterase (enzima). 4242 Sinapse/Sinalização Celular 4343 1- Transferência direta de sinais elétricos e químicos através de junções comunicantes entre células Adjacentes. 2. Comunicação local por substâncias químicas se Como as células se comunicam? 2. Comunicação local por substâncias químicas se difusas no meio extracelular. 3. Comunicação à longa distância pela combinação de sinais elétricos transportados por células nervosas e sinais químicos transportados no sangue. 4444 - Endócrina – o hormônio é transportado pela corrente sanguínea até a célula alvo. – Parácrina – o mensageiro ou ligante é liberado por uma célula e atua sobre outra célula adjacente. Tipos de comunicação celular – Sináptica – ocorre por transmissão do pulso nervoso. – Dependente de contato – ocorre entre células muito próximas. – Autócrina – célula responde a substâncias liberadas por ela mesma. 4545 Comunicação celular 4646 Comunicação celular Sinalização autocrina O local de ligação do substancia é na própria célula 4747 Sinalização Sinaptica Estímulos nervosos onde a atividade elétrica de uma neurônio (pré-sináptico), influência ade uma neurônio (pré-sináptico), influência a atividade elétrica ou metabólica de um outro neurônio (pós-sináptico). 4848 Sinapse – regiões de comunicação entre neurônios ou neurônio e células musculares ou glandulares. 4949 Tipos de Sinapse Excitatória – Os neurotransmissores que atuam nas sinapses excitatórias são a acetilcolina, o glutamato e a serotonina. Eles promovem a abertura de canais iônicos de Na+. Sinapses excitatórias causam uma mudança elétrica excitatória no potencial pós-sináptico (PEPS). 5050 • Inibitória – Causam um potencial pós-sináptico inibitório - PIPS. • A atuação dos neurotransmissores GABA ou glicina gera um PIPS – potencial inibitório pós-sináptico, que inibe a formação de um potencial de ação a partir da hiperpolarização da membrana. Esses neurotransmissores atuam sobre canais de íons Cl- ou K+. 5151 Neurotransmissor - Substância química excitatório ou inibitória que é produzida e liberada pelos neurônios quando o potencial de ação atinge o terminal axônico. Ex. acetilcolina, serotonina, dopamina, óxido nítrico, glicina. 5252 Mecanismo de liberação do Neurotransmissor 1- O Potencial de Ação aumenta a permeabilidade da membrana ao íon cálcio; 2- O íon cálcio medeia a fusão a vesícula com a membrana plasmática;membrana plasmática; 3- Exocitose do neurotransmissor. 5353 Liberação de neurotransmissor - Acetilcolina 5454 Junção neuromuscular - É a região onde ocorre sinapse entre neurônios e células musculares. 5555 Músculo e Contração Muscular Músculo • Músculo é um biossistema que transforma energiaenergiaenergiaenergia elétricaelétricaelétricaelétrica potencialpotencialpotencialpotencial de biomoléculas em calorcalorcalorcalor eeee trabalhotrabalhotrabalhotrabalho mecânicomecânicomecânicomecânico; • Repouso – a energia está em estado potencial;• Repouso – a energia está em estado potencial; • Contração (trabalho mecânico) – há duas forma de liberação de calor. • Reações químicas • Atrito entre as estruturas A. Músculo esquelético (humano) - Contração rápida BBBB.... Músculo liso (humano). • Contração lenta baixo gasto de energia. Controle do SNA.energia. Controle do SNA. CCCC.... Músculo cardíaco (macaco). • Ação rápida; Contração sob controle do SNA Músculo TendãoTendão MúsculoMúsculo Nervos e vasos sanguíneosNervos e vasos sanguíneos EpmísioEpmísio FascículoFascículo FásciaFáscia NúcleoNúcleo Fibra muscularFibra muscular Estrutura do músculo Retículo sarcoplasmáticoRetículo sarcoplasmático mitocôndriasmitocôndrias MiofribilaMiofribila NúcleoNúcleo FilamentoFilamento finofino FilamentoFilamento grossogrosso FilamentoFilamento grossogrosso FilamentoFilamento finofino MiofribilaMiofribila SarcolemaSarcolemaCisternaCisterna TríadeTríade Retículo sarcoplasmáticoRetículo sarcoplasmático Túbulos TTúbulos T SarcolemaSarcolema Túbulos TTúbulos T Fibra muscular Fibra muscular: é uma célula cilíndrica e muito longa. Possui muitos núcleos pois é formada a partir da fusão de muitas células embrionárias. - Não se multiplica (não sofre mitose) mas pode aumentar de tamanho (hipertrofia) caso seja constantemente solicitada como nos exercícios musculares. Fibra muscular As fibras musculares esqueléticas são inervadas por neurônios chamados motoneurônios cujos corpos celulares estão localizados dentro do SNC (núcleos motores da medula e do tronco encefálico). Proteínas contrácteis – Bases físicas • MiosinaMiosinaMiosinaMiosina - filamentos grossos • ActinaActinaActinaActina,,,, troponinatroponinatroponinatroponina eeee tropomiosinatropomiosinatropomiosinatropomiosina – filamentos finos. • Os filamentos grossosgrossosgrossosgrossos eeee finosfinosfinosfinos são arranjados em padrão repetitivo ao longo da miofibrila. • Esses padrão de repetição é chamado deSARCÔMEROSARCÔMEROSARCÔMEROSARCÔMERO. Proteínas contrácteis– Bases físicas Proteínas contrácteis– Bases físicas SarcômeroSarcômero Tipos de contração • Contração isométrica – o músculo desenvolve tensão, mas não se encurta. • Contração isotônica – o músculo se encurta a aplicação de uma carga constante. • Contrações espasmódicas – resposta mecânica de• Contrações espasmódicas – resposta mecânica de uma única fibra muscular a um potencial de ação isolado (câimbras). • Contração tetânica – uma contração sustentada em reposta a estímulos repetidos (contrações uterinas). Tipos de contraçõesTipos de contrações Contração isotônicaContração isotônica –– alteração no tamanho do alteração no tamanho do músculomúsculo Contração isométricaContração isométrica -- não altera o tamanho do não altera o tamanho do músculomúsculo Dinâmica da Contração Muscular O arranjo das fibras em cada músculo determina a quantidade de força que o músculo pode Dinâmica da Contração Muscular determina a quantidade de força que o músculo pode produzir e o comprimento no qual os músculos podem se contrair. SeráSerá queque nessesnesses doisdois casos,casos, aa contraçãocontração dosdos músculosmúsculos foifoi dada mesmamesma formaforma ouou dede modosmodos diferentes?diferentes? Isométrica (τF) = Força x distância = 0 Isotônica (τF) = Força x distância A força muscular– trabalho muscular (trabalho físico (τF). Forças físicas envolvidas na contração muscular Gravidade – força gravitacional Força de contato – atrito entre estruturas proteicas (trabalho biológico (τB) ) A força produzida por músculos depende de vários fatores, incluindo: - velocidade de contração do músculo Forças físicas envolvidas na contração Forças físicas envolvidas na contração muscularmuscular - velocidade de contração do músculo - comprimento do músculo. O peso de um objeto é resultado da força gravitacional. Relações energéticas no músculo Energia elétrica e energia potencial Reações bioquímicas e Reações bioquímicas e atrito entre proteínas contrateis Ação: Liberação de Calor Contração muscular estática - (CME) Músculo sob tensão prolongada sem variação do Músculo sob tensão prolongada sem variação do seu comprimento.seu comprimento. (contração isométrica)(contração isométrica) Contração muscular estática -(CME) Exemplo: manter um peso na mão com Exemplo: manter um peso na mão com braço esticado.braço esticado. •• CaracterizadaCaracterizada pelopelo WW ~~ 00 (quase(quase todatoda energiaenergia éé transformadatransformada emem calor)calor).. •• ForçaForça MáximaMáxima VoluntáriaVoluntária (FMV)(FMV) -- ForçaForça máximamáxima exercidaexercida porpor umum músculomúsculo emem umauma contraçãocontração isométricaisométrica mantidamantida porpor 44 aa 55 segundossegundos Contração muscular estática -(CME) A contração estática representa um custo fisiológico importante pois dificulta a eliminação de dejetos metabólicos (acumulação de ácidode dejetos metabólicos (acumulação de ácido lático). Contração muscular dinâmica (CMD) TrabalhoTrabalho fornecidofornecido pelopelo músculomúsculo:: W = F x dW = F x d • relação entre o trabalho fornecido (W) e a energia consumida pelo músculo não ultrapassa 20% (condições favoráveis – bicicleta ergométrica). w= trabalho; F= força; d=distancia Efeitos da CME 1. Fadiga muscular localizada (função da intensidade do esforço). 2. Aumento da frequência cardíaca2. Aumento da frequência cardíaca 3. Elevação da pressão arterial Exceção: musculatura postural (fibras vermelhas) Medida de calor e trabalho muscular Eficiência ou Ef = Trabalho Realizado Energia Gasta Joule (J) - é a unidade de medida de energia mecânica (trabalho), também utilizada para medir energia térmica (calor). Medida de calor e trabalho muscular T= m. g. d (J)T= m. g. d (J) Onde: T= trabalho realizado m= massa (g) g = energia gravitacional (9,8 m.s-2 ). d= distância percorrida Eficiência Mecânica Ex. Um músculo realiza determinado Trabalho ocorre uma liberação de calor que pode ser medido. O total de energia gasto foi de 750 J. O referido trabalho foi de levantar uma bola de chumbo de 25 kg a 1 metro de altura. 1 cal = 4,186J a) Qual a eficiência mecânica? a) Qual o calor liberado em (Joules e em calorias)? T = m.g.d T = 25kg . 9,8 . 1 m T = 245 T = 245 J Calculando a Eficiência Mecânica a) Qual a eficiência mecânica? Trabalho Realizado Ef = Energia Gasta Ef = 245 750 = 0,32 ou 32% Calculo do calor liberado b) Qual o calor liberado em (Joules e em calorias)?b) Qual o calor liberado em (Joules e em calorias)? Calor liberado (C) = Energia gasta Calor liberado (C) = Energia gasta –– Trabalho realizado Trabalho realizado C = 750 – 245 = 505 J 1 cal ---------------------- 4,186 J x -----------------------505 J X= 120,6 cal. Calculo do trabalho mecânico - Qual o trabalho de levantar uma peso de 5kg a 1,2 metro de altura?. T =m.g.dT = m.g.d T = 5kg . 9,8 m.s-2 . 1,2m T = 58,8 kg.m-2. s-2 T = 59 J Trabalho mecânico com variação de volume • Em músculos que formam uma cavidade onde abrigam um certo volume como coração, artérias, bexiga, tubo digestivo. • A pressão (P) exercida modifica o volume;• A pressão (P) exercida modifica o volume; assim o trabalho (T) é o produto da Pressão exercida versus a variação de volume (∆V). T = P x ∆V T = P x ∆V Trabalho mecânico com variação de volume Onde: T = trabalho P = pressão = P = pressão = massa (kg) x distância-1 (m-1) x tempo-2(s-2) x (mmHg) ∆V = variação de volume (Unidade em Joules) Trabalho mecânico com variação de volume Ex. Calcular o trabalho realizado pelo ventrículo esquerdo para ejetar 85ml de sangue sob pressão de 12 cm de Hg. (densidade do Hg= 13,5 x 103 kg.m-3) “12 cm de Hg significa que o dispositivo (no caso o coração) levanta 12 cm de altura uma coluna decoração) levanta 12 cm de altura uma coluna de mercúrio de densidade 13,5 x 103 kg.m-3 “ ∆V = sangue ejetado = 85 ml ou 0,085 Litro 1000 litros = 1 m3 1 litro = 10-3 . m3 Calculando a Pressão P = densidade x gravidade x altura P=13,5 x 103 kg . mmmm----3333 x 9,8 m.s-2 x 0,12 mmmm = 15876 ou P = 1,6 x 104 NNNN . m. m. m. m----2222 ou ou ou ou Pa kg.kg.kg.kg. mmmm----3333 . . . . m.sm.sm.sm.s----2222. . . . mmmm = (= (= (= (kgkgkgkg . . . . m. sm. sm. sm. s----2222). m). m). m). m----3333. . . . mmmm = = = = NNNN . m. m. m. m----2222 = = = = PaPaPaPa 1 N1 N Calculando o Trabalho mecânico (T) T= P x T= P x T= P x T= P x ∆∆∆∆VVVV T= 1,6 x 104 N . m x 0,085.103. m3T= 1,6 x 104 N . m x 0,085.103. m3 T= 1,36 N. m (kg.m.s-2.m) T= 1,36 J (Joules) Trabalho físico (τF) e Trabalho biológico (τB) Todo trabalho é físico; Trabalho biológico é realizado pelos biossistemas necessários para produzir determinado trabalho físico. Físico (τF) é F x d ou P x ∆V Biológico (ττττ B ) é toda energia da contração muscular. Biológico (ττττ B ) sempre > que (ττττ F ) Trabalho físico (τF) e Trabalho biológico (τB) Exemplo: Um paciente fazendo exercício levanta um objeto de 3kg a 1,2m de altura. Seu rendimento muscular é apenas 25%. Calcular o trabalho físico τF e o trabalho biológico τB. τF = 3 kg x 9,8 m.s -2 x 1,2 mτF = 3 kg x 9,8 m.s -2 x 1,2 m τF = 35,28 J τB = 25%-------------------- 35,28 J 100%-------------------------x J τB = 141,12 J Calor e trabalho nas contrações isométricas Calor e Trabalho nas contrações musculares En = A + a . ∆∆∆∆L + f . ∆L En = contração muscular; A = calor de ativação;A = calor de ativação; a = calor de contração; f = força; ∆L = variação de espaço (distância percorrida); Trabalho em contrações isométricas O músculo não muda de comprimento; ∆∆∆∆L = 0 En = A + a . ∆L + f . ∆∆∆∆L En = A + 0 + 0 En = A - Não existe trabalho físico - ττττF = F x d = 0 - Liberação de energia térmica (calor) Trabalho em contrações isotônicas -Trabalho Físico (τF) = F x d -Distribuição de energia térmica (calor) por reações bioquímicas e por atrito – geração de trabalho mecânico; - Pode-se medir o trabalho realizado e calor liberado Trabalho em contrações isotônicas A distribuição é dada pela equação, quando L ǂ 0 En = A + a . ∆∆∆∆L + f . ∆L En = contração muscular;En = contração muscular; A = calor de ativação; a = calor de contração; f = força; ∆L = variação de espaço (distância percorrida);
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