Biofisica - Sistemas - Neuro

Prévia do material em texto

BIOFÍSICA
Profª Carla C. N. Mamede
FÍSICA MÉDICA
Estudo dos fenômenos físicos aplicados aos organismos vivos.
http://lattes.cnpq.br/9270598502898275
 FÍSICA APLICADA À FISIOLOGIA HUMANA
GARCIA, E.A.C. Biofísica, 2015.
GUYTON, A.C.; HALL, J.E. Tratado de fisiologia médica, 2011.
BIOFÍSICA
de
SISTEMAS
 Sistema nervoso
 Neurofisiologia sensorial e motora
 Neurotransmissão
 Sistema cardiovascular
 Miocárdio
 Circulação sanguínea
 Sistema respiratório
 Ventilação pulmonar
 Trocas gasosas
 Sistema excretor
 Líquidos corporais
 Excreção urinária
DILLON, P.F. Biophysics : A Physiological Approach, 2012
HALL, J.E.; HALL, M.E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology, 2021.. 
http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=nlebk&AN=432751&lang=pt-br&site=ehost-live
https://www.smallpocketlibrary.com/2021/02/guyton-and-hall-textbook-of-medical.html
BIOFÍSICA DE SISTEMAS
SISTEMA NERVOSO HUMANO
 Recebe a cada minuto milhões de bits de
informação provenientes de diferentes
órgãos e nervos sensoriais e então os
integra para determinar as respostas a
serem executadas pelo corpo
 Contém mais de 100 bilhões de neurônios e
cada neurônio pode receber até 200 mil
conexões sinápticas
h
tt
p
s:
//
w
w
w
.s
m
al
lp
o
ck
et
lib
ra
ry
.c
o
m
/2
0
20
/0
1/
in
fo
g
ra
p
h
ic
-h
u
m
an
-b
o
d
y-
n
e
rv
o
u
s-
sy
st
em
.h
tm
l
CORPO HUMANO: Sistema Nervoso
O sistema nervoso é subdivido em sistemas nervoso central (cérebro e medula) e periférico (nervos). Esses sistemas
trabalham juntos para coletar e interpretar informações internas e externas do corpo e controlar respostas.
O sistema nervoso central controla as funções 
essenciais do corpo; recebe informações sensoriais e 
coordena respostas apropriadas.
O sistema nervoso periférico conecta o SNCentral ao resto do 
corpo. Nervos se ramificam do cérebro e da medula espinal e 
estendem-se até os órgãos, músculos e outras partes do corpo.
Neurônios são células altamente
especializadas em transmitir sinais
químicos e elétricos no corpo. Sinais
sensoriais atingem o neurônio por meio de
sinapses localizadas no dendritos
neuronais (ou no corpo celular). Já, o sinal
de resposta (efetor) viaja por meio de um
único axônio para outras partes do sistema
nervoso ou corpo periférico.
HALL, J.E.; HALL, M.E. Guyton and Hall Textbook of 
Medical Physiology, 2021. p. 569-585 
https://www.smallpocketlibrary.com/2020/01/infographic-human-body-nervous-system.html
https://www.smallpocketlibrary.com/2021/02/guyton-and-hall-textbook-of-medical.html
BIOFÍSICA DE SISTEMAS
SISTEMA NERVOSO HUMANO
 Recebe informações fornecidas pelos
receptores sensoriais que detectam
estímulos como tato, som, luz, dor, frio e
calor;
 Processa as informações recebidas para
provocar reações cerebrais imediatas ou
para formar memória e determinar reações
futuras no organismo;
 Controla as diversas atividades do corpo
através da contração dos músculos e da
secreção de substâncias químicas pelas
glândulas.
Neuroeixo sensorial somático
Hartmut Zabel. Physical Aspects of Organs and 
Imaging. De Gruyter, 2017. p. 76-94.
Neuroeixo motor esquelético
Neurônios aferentes conectam receptores com o SNC, neurônios 
eferentes conduzem sinais para centros de ação como um músculo.
HALL, J.E.; HALL, M.E. Guyton and Hall Textbook of Medical 
Physiology, 2021. p. 569-585
http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=nlebk&AN=1538426&lang=pt-br&site=ehost-live&ebv=EB&ppid=pp_76
https://www.smallpocketlibrary.com/2021/02/guyton-and-hall-textbook-of-medical.html
Hartmut Zabel. Physical Aspects of Organs and Imaging. De Gruyter, 2017. p. 76-94.
 SISTEMA NERVOSO HUMANO:
 Estimulação de receptores sensoriais provoca a alteração do potencial elétrico de membrana
(potencial receptor) para desencadear potenciais de ação na fibra nervosa aferente e
transmitir a informação até o sistema nervoso central
 Neurônios sensoriais são estimulados por receptores especializados
 Propagação do potencial de ação ao longo do axônio
 Sinapse química -> neurotransmissores são liberados para ativar as células-alvo
 Transmissão sináptica da informação sensorial, através de mecanismos moleculares e de
membrana, determina respostas mentais e motoras apropriadas.
 Transmissão do potencial de ação para neurônio efetor
 Sinapse neuromuscular -> sinal químico (resposta ) é transmitido para o músculo
http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=nlebk&AN=1538426&lang=pt-br&site=ehost-live&ebv=EB&ppid=pp_76
Aplicações clínicas do reflexo de estiramento
Quase todas as vezes que um médico realiza um exame físico em um paciente, ele
provoca reflexos de estiramento múltiplos. Clinicamente, o método usado para
determinar a sensibilidade dos reflexos de estiramento é provocar o reflexo patelar e
outros reflexos musculares. O reflexo patelar pode ser obtido simplesmente batendo
levemente no tendão patelar com um martelo de reflexo; isso, instantaneamente,
estira o músculo quadríceps e estimula um reflexo de estiramento dinâmico, que faz
com que a perna “se lance” para frente. Reflexos semelhantes podem ser obtidos de
quase todos os músculos do corpo, percutindo-se o tendão ou o ventre do próprio
músculo.
Os reflexos musculares são usados por neurologistas para avaliar o grau de facilitação
dos centros da medula espinhal. Quando grande quantidade de impulsos facilitadores
estão sendo transmitidos das regiões superiores do sistema nervoso central para a
medula, os reflexos musculares são muito exagerados. Por outro lado, se os impulsos
facilitadores forem deprimidos ou anulados, os reflexos musculares enfraquecem-se
consideravelmente ou ausentam-se. Os reflexos são usados com mais frequência para
determinar a presença ou ausência de espasticidade muscular causada por lesões em
as áreas motoras do cérebro ou doenças que estimulam a área facilitadora
bulboreticular do tronco cerebral. Normalmente, grandes lesões nas áreas motoras do
córtex cerebral, mas não nas áreas de controle motor inferior (especialmente lesões
causadas por derrames ou tumores cerebrais) causam espasmos musculares muito
exagerados nos músculos do lado oposto do corpo.
HALL, J.E.; HALL, M.E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology, 2021. p. 690
Teste seu reflexo patelar e responda rápido:
Como é o funcionamento básico do SISTEMA NERVOSO HUMANO em movimentos
involuntários como no reflexo patelar?
Assista o vídeo https://www.physio-pedia.com/Reflexes
Reflexo patelar: Hartmut Zabel. Physical Aspects of Organs and Imaging. De Gruyter, 2017. p.88
https://www.smallpocketlibrary.com/2021/02/guyton-and-hall-textbook-of-medical.html
https://www.physio-pedia.com/Reflexes
http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=nlebk&AN=1538426&lang=pt-br&site=ehost-live&ebv=EB&ppid=pp_76
BIOFÍSICA DE SISTEMAS
NEUROTRANSMISSÃO
 Detecção de sinais do ambiente e
transmissão de sinais ao longo das fibras
nervosas até o SNC;
 Integração e processamento dos dados
recebidos no SNC;
 Emissão de sinais ao longo das fibras
nervosas do SNC para o SNP e transmissão
da resposta aos órgãos efetores.
1. Recepção do sinal: os sinais de entrada são
recebidos nos dendritos e alteram o
potencial da membrana;
2. Integração do sinal: mudanças no potencial
da membrana que passam os potenciais de
ação inicial do axônio;
3. Condutância do sinal: os potenciais de ação
viajam ao longo das fibras do axônio
revestidas com células de Schwann e são
transportados para os terminais do axônio;
4. Transmissão de sinal: os
neurotransmissores são liberados nas
sinapses para ativar as células-alvo.
Hartmut Zabel. Physical Aspects of Organs and Imaging. De 
Gruyter, 2017. p. 76-94.
http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=nlebk&AN=1538426&lang=pt-br&site=ehost-live&ebv=EB&ppid=pp_76
BIOFÍSICA DE SISTEMAS
HALL, J.E.; HALL, M.E. Guyton and Hall Textbook of 
Medical Physiology, 2021. p. 63-77.
NEUROTRANSMISSÃOPOTENCIAIS ELÉTRICOS
 Existem através das membranas de
praticamente todas as células do corpo;
 Em repouso, o potencial de membrana das
fibras nervosas é de cerca de -70 milivolts;
 Neurônios são capazes de gerar mudanças
eletroquímicas rapidamente em suas
membranas, e essas alterações são usadas
para transmitir sinais – potencial de ação.
Potencial de membrana (repouso) em diferentes tipos de células. Registro do potencial de ação típico de uma fibra nervosa.
Medida dos potenciais de membrana da fibra nervosa usando um microelétrodo.
https://www.smallpocketlibrary.com/2021/02/guyton-and-hall-textbook-of-medical.html
BIOFÍSICA DE SISTEMAS
NEUROTRANSMISSÃO
POTENCIAL DE REPOUSO
 O potencial de membrana de fibras
nervosas mais calibrosas, que não estão
transmitindo sinais nervosos é cerca de -90
mV, ou seja, a diferença potencial é de
cerca de 90 mV, com negatividade dentro
da membrana de fibra;
 As propriedades de transporte da
membrana nervosa em repouso para os
íons potássio e sódio determinam o valor
do potencial de repouso.
Composições químicas de fluidos extracelulares e intracelulares. 
Tipos de transporte através da membrana celular.
Características funcionais da bomba de sódio e potássio e dos canais 
de vazamento de potássio.
DILLON, P.F. Biophysics : A Physiological Approach, 2012.
HALL, J.E.; HALL, M.E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology, 2021..
http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=nlebk&AN=432751&lang=pt-br&site=ehost-live
https://www.smallpocketlibrary.com/2021/02/guyton-and-hall-textbook-of-medical.html
(A) Estabelecimento de um potencial de difusão através da membrana da
fibra nervosa, causada pela difusão de íons potássio de dentro da célula para
fora através de uma membrana que é seletivamente permeável apenas ao
potássio. (B) Estabelecimento de um potencial de difusão quando a
membrana da fibra nervosa é permeável apenas aos íons de sódio.
A força que tende a direcionar um íon através de uma
membrana é constituída por dois componentes: um devido ao
potencial elétrico da membrana (força elétrica) e um devido à
diferença de concentração do íon dentro e fora da célula
(difusão - força térmica). A equação de Nernst relaciona essas
duas forças e determina o potencial de equilíbrio de um íon,
isto é, quando é nulo o gradiente eletroquímico do íon entre
os lados da membrana:
Estabelecimento de potenciais de membrana em repouso sob três condições. (A)
potencial de membrana causado por difusão de potássio. (B) potencial de
membrana é causado por difusão de íons sódio e potássio. (C) potencial de
membrana causado pela difusão de íons sódio e potássio mais o bombeamento
de ambos os íons pela bomba Na + -K +.
Concentrações iônica, potenciais de equilíbrio, potencial de membrana e
permeabilidade relativa de potássio/ sódio nas diferentes células
Quando a membrana é permeável a vários íons diferentes o
potencial de difusão que se desenvolve depende de três
fatores: (1) a polaridade da carga elétrica de cada íon; (2) a
permeabilidade da membrana (P) para cada íon; e (3) a
concentração (C) dos respectivos íons no interior (i) e no
exterior (o) da membrana. A equação de Goldman é usada
para calcular o potencial de difusão quando a membrana é
permeável à vários íons diferentes.
McCormick, D.A. Membrane Potential and Action Potential. 
From Molecules to Networks. 2014
http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-397179-1.00012-9
http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-397179-1.00012-9
BIOFÍSICA DE SISTEMAS
NEUROTRANSMISSÃO
POTENCIAL DE AÇÃO
 A regulação do potencial de membrana é
particularmente importante no homem,
que usa sinais elétricos gerados por canais
de membrana para comunicação em seus
sistemas nervoso e muscular.
 A leitura e a compreensão de textos, como
esse, dependem de criação e
processamento de sinais elétricos e
químicos por células do sistema visual e do
cérebro. Os canais de íons produzem o
evento chave, uma mudança transitória no
potencial elétrico da membrana
plasmática, chamada de ação potencial.
Registro de um potencial de ação através de um eletrodo
inserido na membrana do axônio (curva amarela). As outras
curvas mostram a condutância da membrana neste ponto
para Na+ e K+. O traço inferior mostra o tempo de abertura e
fechamento dos canais de vazamento de K+.
Os sinais nervosos são transmitidos por
potenciais de ação que se propagam com
grande velocidade por toda a membrana da
fibra nervosa – rápidas alterações do
potencial de membrana são causadas por
canais de sódio e potássio regulados por
voltagem. .
Pollard; Earnshaw; Lippincott-Schwartz;Johnson
Cell Biology, 2017.
https://doi.org/10.1016/C2014-0-00272-9
HALL, J.E.; HALL, M.E. Guyton and Hall Textbook of 
Medical Physiology, 2021. p. 63-77.
https://doi.org/10.1016/C2014-0-00272-9
https://www.smallpocketlibrary.com/2021/02/guyton-and-hall-textbook-of-medical.html
Efeito de voltagens crescente de estímulos para produzir um 
potencial de ação. Observe o desenvolvimento de potenciais 
sublimiares agudos quando os estímulos estão abaixo do valor 
limite necessário para gerar um potencial de ação.
A condutância do sódio aumenta milhares de vezes durante
os estágios iniciais do potencial de ação, enquanto a
condutância do potássio aumenta apenas cerca de 30 vezes
durante os últimos estágios do potencial de ação e por um
curto período depois disso. (Estas curvas foram construídas a
partir da teoria apresentada em artigos por Hodgkin e Huxley,
mas transposto de um axônio de lula para aplicar a os
potenciais de membrana de grandes fibras nervosas de
mamíferos.) Mudanças típicas na condutância dos canais
iônicos de sódio e potássio quando o potencial de membrana
é aumentado repentinamente do valor normal de repouso de
-70 mV para +10 mV por 2 ms.
Durante o estado de repouso, antes do início do potencial de ação, a condutância para os íons potássio é 50 a 100 vezes maior que a condutância para os íons sódio. Isso é causado pelo maior
vazamento de íons de potássio do que de sódio pelos canais de vazamento. No entanto, no início do potencial de ação, os canais de sódio tornam-se quase instantaneamente ativados e
permitem um aumento de até 5.000 vezes na condutância do sódio. Então, o processo de inativação fecha os canais de sódio em outra fração de milissegundo; e canais de potássio começam
a se abrir lentamente. No final do potencial de ação, o retorno do potencial de membrana ao estado negativo faz com que os canais de potássio voltem ao seu estado original. Um novo
potencial de ação não pode ocorrer em uma fibra excitável enquanto a membrana ainda estiver despolarizada do potencial de ação anterior. A razão para essa restrição é que, logo após o
potencial de ação ser iniciado, os canais de sódio tornam-se inativados e nenhuma quantidade de sinal excitatório aplicada a esses canais neste ponto abrirá as comportas de inativação. A
única condição que permitirá sua reabertura é que o potencial de membrana retorne ao nível do potencial de membrana em repouso original ou próximo a ele.
BIOFÍSICA DE SISTEMAS
NEUROTRANSMISSÃO
POTENCIAL DE AÇÃO
 O potencial de ação viaja em todas as direções
da membrana do axônio, mesmo ao longo de
todas as ramificações da fibra, até que toda a
membrana se torne despolarizada.
 Pelo princípio do tudo ou nada, para que
ocorra a propagação contínua de um impulso,
a razão entre o potencial de ação e o limiar de
excitação deve ser sempre maior que 1.
 A velocidade de condução dos potenciais de
ação nas fibras nervosas varia de 0,25m/s, em
fibras amielínicas, até o máximo de 100 m/s,
nas fibras mielinizadas mais calibrosas.
HALL, J.E.; HALL, M.E. Guyton and Hall Textbook of 
Medical Physiology, 2021. p. 63-77.
Propagação de potenciais de ação em ambas as direções ao
longo de uma fibra condutora.
Funcionamento das células de Schwann no isolamento das fibras nervosas.
https://www.smallpocketlibrary.com/2021/02/guyton-and-hall-textbook-of-medical.htmlNEUROTRANSMISSÃO
 Transmissão de informações através de
impulsos nervosos (potenciais de ação) e
sinapses:
1. Recepção do sinal: os sinais de entrada são
recebidos nos dendritos e alteram o potencial
da membrana e determinam o potencial de
ação inicial do axônio;
2. Condutância do sinal: os potenciais de ação
viajam ao longo das fibras do axônio e são
transportados para os terminais do axônio;
3. Transmissão de sinal: os neurotransmissores
são liberados nas sinapses para ativar as
células-alvo.
HALL, J.E.; HALL, M.E. Guyton and Hall Textbook of 
Medical Physiology, 2021. p. 67-76; 572-584.
Condução saltatória do potencial de ação em axônio mielinizado.
-> Vídeo: The Excitable Cell And Resting Membrane Animation
(A) Sinapse química e (B) Sinapse elétrica 
-> Vídeo: Nerve Synapse Animation
https://www.smallpocketlibrary.com/2021/02/guyton-and-hall-textbook-of-medical.html
https://www.youtube.com/watch?v=iWp9FVN7RIQ
https://www.youtube.com/watch?v=ecGEcj1tBBI