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Paulo Alberto de Lima Ramos

PAGE Paulo Ramos

Biofsica: Princpios e Aplicaes em Sade

Paulo Alberto de Lima Ramos

Biofsica: Princpios e Aplicaes em Sade

2011PRIMEIRAS PALAVRAS

Este texto foi organizado para servir como fonte de informao terica para o programa de Biofsica oferecido aos estudantes do Curso de Medicina do Centro de Cincias Biolgicas e da Sade da Universidade Federal de Campina Grande.

A sua elaborao deve-se a necessidade de um texto nico que cumpra s exigncias do programa que ora estudamos. Atualmente, dispomos de grande nmero de livros para o estudo da Biofsica, embora nenhum deles cumpra s especificidades de cada programa oferecido pelos diversos cursos de Biofsica. Este fato resulta da multiplicidade de aspectos e da abrangncia de contedos que podem ser abordados pela Biofsica. Alguns livros disponveis tratam os assuntos de modo amplo e superficial, outros discutem tpicos especficos com um grau de complexidade maior que as necessidades de um aluno de graduao, enquanto outros so adequados, mas optam por grupos de contedos que no satisfazem s necessidades do nosso programa.

A constatao desses fatos nos estimulou a organizar este texto que no pretende ser definitivo, antes um espao em contnua transformao, adaptando-se s necessidades do Curso de Medicina e da formao mdica bsica.

No estudo dos fenmenos biolgicos, a Biofsica se superpe ao realizado por outras cincias, particularmente a Biologia, Bioqumica e a Fisiologia, dado o seu carter multidisciplinar. Dessa forma, no se pode estabelecer um limite preciso nas reas de atuao de cada uma dessas especialidades. Ao contrrio, esta integrao deve ser estimulada, permitindo uma viso mais ampla de cada contedo abordado.

O modo de como a Biofsica deve ser estudada outro aspecto a ser considerado. Neste texto, optamos pela simplificao na anlise dos fenmenos, as formulaes e os grficos so apresentados quando imprescindveis para a melhor compreenso de tpicos especficos. Na escolha dos temas prevaleceu o carter bsico e multidisciplinar da Biofsica, permitindo a sua integrao com outras disciplinas, servindo de suporte ou complemento de seus contedos.

Paulo A. L. Ramos

NDICE

Pgina

MDULO 1

1. Introduo Biofsica

42. Manometria. Sistemas de infuso e drenagem de compartimentos biolgicos

143. Biofsica da gua

224. Estudo das disperses

255. cidos, bases, sais e pH de solues

376. Lquidos corporais e equilbrio hdrico entre compartimentos lquidos corporais

477. Termometria. Regulao da temperatura corporal

538. Fenmenos de superfcie

63Captulo 1INTRODUO A BIOFSICAOrigem do Universo. O universo comeou em um tempo no muito distante e finito no passado. O tempo era uma propriedade do universo que no existia antes do seu comeo.

Em 1929, Edwin Hubble observou que, em qualquer lugar para onde se olhe, as galxias distantes esto se afastando da nossa, ou seja, o universo est em expanso. Esse fato permitiu deduzir que, em algum momento do passado, os objetos estariam muito prximos uns dos outros, concentrados em um ponto de extrema densidade e altssima temperatura, cuja exploso, o Big Bang, at hoje, impulsiona os fragmentos em direo ao infinito. Portanto, houve um tempo, em torno de dez ou vinte bilhes de anos atrs, que o universo fora infinitesimalmente pequeno e infinitamente denso. O tempo teve incio no momento do Big Bang.

A teoria do Big Bang pressupe que toda a matria, no momento inicial, j se encontrava l, apenas bastante comprimida, ocupando um ponto, e em uma forma diferente do estado que a conhecemos atualmente. Antes deste momento inicial s havia o vazio. As primeiras partculas teriam surgido de uma simples flutuao de vcuo e, em bilionsimos de segundo, se expandiram a uma velocidade espantosa formando assim a aglomerao que seria, em seguida, fragmentada na grande exploso. A teoria dos fenmenos iniciais, concebida por Allan Guth, explica que no vazio, no h espao nem matria, apenas energia de alta frequncia. Pelas leis da relatividade e da mecnica quntica, essa energia pode ser convertida em matria sob condies incertas e incontrolveis, como o caso da sbita variao de um campo eltrico ou flutuao de vcuo. Isso teria ocorrido h cerca de 15 bilhes de anos. As primeiras partculas se materializaram, provavelmente, por um processo no qual o colapso da onda energtica permitiu a formao de partculas, ou seja, de matria. Quando a matria gerada de um tipo especial de flutuao de vcuo, dotada de gravidade negativa, ao contrrio da gravitao normal, expulsa em vez de atrair as partculas presentes em seu campo. Neste caso, bastaria que se formasse uma parte de apenas um bilionsimo de um prton, para que a expanso da matria tivesse incio por conta da repulso interna. Na origem do Universo, esse fenmeno teria ocorrido no perodo de 10-37 a 10-34 segundo. A partir da, ocorreu o Big Bang e a expanso teria prosseguido em outro ritmo.

A teoria de Ruth afirma que, no universo primitivo, o material de gravidade repulsiva se expandiu sem perder densidade, gerando uma enorme massa de quarks, partculas nfimas com carga eltrica inferior do eltron. Neste modelo, a energia positiva da matria foi equilibrada pela energia negativa do campo gravitacional, de modo que a energia total foi sempre zero. Formou-se ento uma massa de gs altssima temperatura. Em cerca de um centsimo de segundo aps o Big Bang, a temperatura teria alcanado 100 bilhes de graus. Nesse momento, ainda no existiam tomos e molculas, apenas um plasma fervente constitudo de eltrons, prtons, psitrons, neutrinos e partculas subatmicas polarizadas. Enquanto o universo esfriava para cerca de um bilho de graus, prtons e nutrons no tendo mais energia suficiente para escapar da fora nuclear forte, teriam comeado a se combinar. A matria ordinria s apareceria cerca de 300.000 anos mais tarde, quando o universo j havia esfriado o suficiente para permitir que eltrons livres se combinassem com ncleos atmicos, formados pelos prtons e nutrons, para produzir tomos de hidrognio, hlio e outros elementos leves. No entanto, os elementos mais pesados dos quais somos constitudos, como o carbono e oxignio, s se formaram bilhes de anos mais tarde, pela queima do hlio no centro das estrelas.

A fora da gravidade determinou a origem das estrelas e das galxias. Durante a enorme contrao gravitacional das estrelas, a temperatura se eleva originando os processos termonucleares. Os primeiros astros possuam massa enorme e brilhavam intensamente. As primeiras galxias acabaram colidindo e se fundindo em grandes aglomerados de estrelas. Essa primeira gerao de estrelas se desintegrou, impulsionando para o espao o gs condensado no seu entorno, alm de espalhar tomos mais pesados, possibilitou a formao da segunda gerao de estrelas.

O universo , grosseiramente, o mesmo em todas as direes. Est constitudo por centenas de milhares de milhes de galxias, cada uma delas contendo algumas centenas de milhares de milhes de estrelas, com amplas extenses de espao vazio entre elas.

O universo est em expanso com todas as galxias se deslocando em oposio direta uma das outras. A distncia entre as diferentes galxias aumenta constantemente a uma taxa de 5 a 10% de seu tamanho a cada bilho de anos. A velocidade de expanso estaria acima de uma determinada velocidade crtica, onde a gravidade no seria capaz de par-lo e iniciar um processo inverso, de contrao, portanto, o universo continuaria a se expandir para sempre.

O planeta Terra est situado em uma galxia de configurao discide designada de galxia espiral, a Via Lctea, com aproximadamente cem mil anos luz de dimetro e rotao lenta (figura 1.1). As estrelas em seus braos espirais giram em torno de seu centro, em mdia, uma vez a cada muitas centenas de milhes de anos. O sistema solar organiza-se em torno de uma estrela comum, o Sol, amarela e de porte mdio, localizada perto do limite mais interno de um dos braos espirais.

Figura 1.1. Aspecto de uma galxia espiral como a Via Lctea.Origem da terra e dos seres vivos. H quase cinco bilhes de anos, em um canto da Via Lctea, a matria da exploso de estrelas, espalhada pelo espao comeou a se juntar atrada pela gravidade formando pedaos cada vez maiores, dando origem ao planeta Terra. H 3,5 bilhes de anos, da massa de molculas inanimadas de carbono surgiu vida. Inicialmente molculas orgnicas simples, organizadas em modelos simples. O planeta era ento bombardeado constantemente por meteoros, matria e energia da exploso inicial. O planeta, ainda novo, guarda o calor da exploso estelar e, por isso, seu interior quente vive vazando por vulces e agredido pelos trridos raios solares. H dois bilhes de anos, a agitao, csmica e geolgica, foi aos poucos diminuindo, enquanto o planeta esfriava. Forma-se a camada de oznio, que torna os raios solares menos nocivos e permite o surgimento de formas de vida mais complexas. H um bilho de anos atrs, aparecem as clulas mais complexas, que possuem todas as organelas. A vida vai, aos poucos, tomando o planeta, protegida do sol pela camada de oznio. Os organismos multicelulares, todos invertebrados, surgem h 600 milhes de anos. A variedade de vida aumenta de uma maneira impressionante. Os oceanos so povoados por grande diversidade biolgica. H 350 milhes de anos, os vertebrados saem do mar e surgem os anfbios. Os continentes so habitados por muitas plantas primitivas. Os rpteis aparecem h 300 milhes de anos e, em seguida, tomam todo o planeta. Os dinossauros passam a ocupar todos os continentes. Os insetos tambm se diversificam muito. H 200 milhes de anos, surgem os mamferos e as plantas ganham flores. Com a extino dos dinossauros, h 65 milhes de anos, os mamferos passam a predominar, se tornam maiores e mais diversificados e as aves tambm se espalham. O homem surge faz apenas 100.000 anos.

Na atualidade, so conhecidas trs milhes de espcies diferentes. Na Terra no existem dois organismos iguais. Isto se explica pela variabilidade gentica e pelas diferenas na interao com o meio ambiente.

Composio dos Seres Vivos. A mesma origem da matria viva, o desenvolvimento evolutivo de cada ser vivo parte da evoluo do universo em seu conjunto e parte do desenvolvimento da Terra. Os seres vivos so constitudos pelos mesmos componentes do planeta Terra e de todo o Universo.

As molculas biolgicas esto constitudas por tomos leves (carbono, hidrognio, oxignio, nitrognio, fsforo e enxofre). Alm disso, nos organismos universal a importncia funcional de ons sdio, potssio, clcio, magnsio e cloro e exercem um papel importante, mas no universal, pequenas quantidades de outros metais, como o ferro, zinco, alumnio, selnio e at o molibdnio.

O organismo humano contm 60,56% de hidrognio, 25,67% de oxignio, 10,68% de carbono, 2,44% de nitrognio, 0,23% de clcio, 0,13% de fsforo, 0,13% de enxofre, 0,08% de sdio, 0,04% de potssio, 0,03% de cloro e 0,01% de magnsio e menores quantidades de ferro, zinco, cobre, cobalto, selnio, flor e iodo. O excesso de hidrognio e oxignio se deve a grande quantidade de gua na composio dos organismos.

A composio e a estrutura do universo e dos seres vivos so bastante complexas. No entanto, elas podem ser reduzidas a quatro componentes: a matria, a energia, o espao e o tempo. Estes componentes no podem ser substitudos por outros, sendo, portanto, fundamentais, tambm denominados grandezas, qualidades ou dimenses fundamentais. Estas grandezas naturais definem a composio e os fenmenos que ocorrem no universo de maneira qualitativa.

Uma consequncia importante da Teoria da Relatividade a relao entre massa e energia. De acordo com a relatividade de Albert Einstein, matria e energia so equivalentes, sendo estados diferentes da mesma grandeza fundamental. Portanto, so componentes indissociveis, estando relacionados diretamente pela equao da equivalncia entre a massa e a energia: E = m.c2. A relao entre a energia (E), a massa (m) e a velocidade da luz (c) to grande que a uma pequena quantidade de massa equivale uma grande quantidade de energia. A relatividade prev, tambm, que nada pode se deslocar com velocidade maior que a da luz. Por causa da equivalncia entre massa e energia, a energia de um objeto devido a seu movimento ser acrescentada sua massa. Esta energia dificultar o aumento da velocidade deste objeto. medida que o objeto se aproxima da velocidade da luz, sua massa aumenta sempre mais rapidamente, de forma que ele gasta cada vez mais energia para aumentar ainda mais a sua velocidade. Assim, o objeto nunca poder alcanar a velocidade da luz, porque, ento, sua massa teria atingido o infinito e, pela equivalncia de massa e energia, estaria gastando uma quantidade tambm infinita de energia para que pudesse atingi-la. Por esta razo, qualquer objeto normal est para sempre confinado pela relatividade a se movimentar em velocidades mais baixas que a da luz.

Quanto ao espao e tempo, a maioria das pessoas cr que o tempo independente e completamente separado do espao. O espao e o tempo eram considerados como palcos fixos nos quais os eventos do Universo ocorriam, sem que fossem afetados pelo que nele acontecesse. De acordo com a relatividade, devemos aceitar que o tempo no completamente isolado e independente do espao, e sim que eles se combinam para formar um elemento chamado espao-tempo. Portanto, so tambm componentes indissociveis, no havendo distino entre as coordenadas de espao e de tempo. Um evento alguma coisa que acontece em um determinado ponto do espao em um tempo tambm determinado. Segundo Einstein, a gravidade seria uma consequncia do fato de o espao-tempo no ser plano, sendo curvo ou arqueado pela distribuio de massa e energia.

Atualmente, o espao e o tempo so considerados quantidades dinmicas: quando um corpo se move, ou uma fora atua, afeta a curva do espao-tempo e, por sua vez, a estrutura do espao-tempo afeta a forma como os corpos se movem e as foras atuam. O espao e o tempo no apenas influenciam como, tambm, so afetados por qualquer evento que acontea no universo.

Sistemas e padres de medidas. A avaliao quantitativa dos fenmenos que ocorrem no universo e nos seres vivos, assim como a influncia das interaes do ambiente nos sistemas biolgicos, realizada pelo homem com o objetivo de compreend-los, utilizando os sistemas de medidas e o sistema numrico. Os sistemas de medidas estabelecem padres que so utilizados para avaliar quantitativamente a composio e os fenmenos do Universo.

H um elevado nmero de grandezas envolvidas nos fenmenos fsicos que se torna difcil organiz-las. Para alcanar esse objetivo, o que se faz selecionar, entre todas as grandezas fsicas possveis, um pequeno nmero delas, denominadas fundamentais, e todas as demais sero grandezas derivadas. Atribumos padres para cada uma dessas grandezas fundamentais e para nenhuma outra.

Para se definir uma grandeza fsica devemos estabelecer uma srie de procedimentos para medir esta grandeza e atribuir-lhe uma unidade, ou seja, um padro bsico de referncia. Uma vez definidos esses padres, os sistemas de medidas passam a utiliz-los como referncia, depois de aceitos internacionalmente.

A 14 Conferncia Geral sobre Pesos e Medidas (1971), tendo por base os trabalhos de conferncias e comits internacionais, selecionou como bsicas as unidades de comprimento, massa, tempo, corrente eltrica, temperatura termodinmica, quantidade de substncia e intensidade luminosa. Essas sete unidades formam a base do Sistema Internacional (SI) de unidades de medida (Le Systme International dUnits). O SI utiliza para as grandezas fundamentais, como padres de referncia, o metro (m) para o comprimento (espao), o quilograma (kg) para a quantidade de matria (massa) e o segundo (s) para o tempo.

O sistema de medida oficialmente recomendado o Sistema Internacional (SI). No entanto, outros sistemas de medidas podem ser usados como o MKS (padres de referncia: metro, quilograma, segundo) ou o CGS (centmetro, grama, segundo).

A Tabela 1.1 apresenta as unidades de medidas fundamentais do Sistema Internacional. As outras unidades do SI so, portanto, derivadas, como, por exemplo, a unidade de fora, o Newton (abreviatura N), que definida tomando como referncia as unidades bases do SI, como:

1 N = 1 m.kg/s2

Os mtodos utilizados para a definio dos padres para as grandezas fsicas so inteiramente aleatrios. Para a medida do comprimento, por exemplo, lhe atribudo uma unidade, o metro, como padro bsico de referncia e so estabelecidos os procedimentos que permitem a sua aferio. Em qualquer parte do mundo, uma medida realizada deve ser comparvel do metro-padro, o que significa que o padro de medida deve estar sempre acessvel. Para obter-se a acessibilidade exigida so produzidos padres secundrios, tercirios, etc, semelhantes ao de referncia, que amplamente distribudos, permitem a realizao das medidas. Alm disso, ao compararmos a medida de um objeto com o padro devemos, dentro de limites razoveis, obter sempre a mesma resposta, ou seja, o padro deve ser invarivel.

Tabela 1.1. Unidades bsicas do Sistema Internacional (SI)

Unidade

Nome

Smbolo

Comprimento

metro

m

Massa

quilograma

kg

Tempo

segundo

s

Corrente eltrica

Ampre

A

Temperatura termodinmicaKelvin

K

Quantidade de substncia

mol

mol

Intensidade luminosa

Candela

cd

Padro de comprimento. O metro-padro uma barra feita com uma liga de prata iridiada, sendo definido como a distncia, arbitrariamente estabelecida, entre dois finos traos gravados prximos s extremidades da barra, estando ela a 0C e suportada mecanicamente de um modo determinado. Foram feitas reprodues idnticas ao metro-padro e enviadas, como padres secundrios, a laboratrios de padres em todo o mundo, que, por sua vez, foram usados para calibrar outras barras mais acessveis, os padres tercirios e, a partir desses, os quaternrios, etc.

Em 1960 foi adotado um padro atmico para o metro a fim de tornar a sua medida mais precisa, evitando a influncia de fatores ambientais nas dimenses fsicas da barra de liga de prata iridiada. Como referncia, para essa medida, foi escolhido o comprimento de onda, no vcuo, de uma radiao laranja-avermelhada particular, emitida por tomos do istopo 86 do Kriptnio (86Kr) em descarga eltrica. Especificamente, um metro atualmente definido como sendo 1.650.763,73 comprimentos de onda dessa luz. Para se chegar a esse nmero mediu-se rigorosamente o comprimento da barra metro-padro em funo dessas ondas luminosas. A escolha de um padro atmico oferece como vantagem a preciso nas medidas de comprimento.

Padro de massa. O padro de massa um cilindro feito com uma liga de platina iridiada, designado como a massa de um quilograma. Da mesma forma, os padres secundrios foram obtidos e enviados aos laboratrios padres de todo o mundo e as massas de outros corpos podem ser determinadas pela tcnica da balana de braos iguais.

Na escala atmica, podemos definir um segundo padro de massa, a unidade de massa atmica (abreviada como u). A massa do istopo 12 do carbono (12C) foi definida como sendo a massa de 12 unidades de massa atmica. A unidade de massa atmica corresponde a 1,660 x 10-27 kg. Podemos encontrar as massas de outros tomos comparando as suas massas unidade de massa atmica. No entanto, a unidade de massa atmica no uma unidade do Sistema Internacional.

Padro de tempo. A medida do tempo permite estabelecer a sequncia e a durabilidade dos acontecimentos. Podemos usar como medida do tempo qualquer fenmeno que se repita. O mtodo de medio consiste em contar as repeties. A rotao da Terra sobre seu eixo, que determina a durao do dia, tem sido usada como nosso padro de tempo. Define-se um segundo como sendo a frao 1/86.400 de um dia. O tempo definido em termos de rotao da Terra denominado tempo universal (TU). Para medir o tempo universal precisamos de um relgio calibrado astronomicamente. Os relgios de quartzo, cujo sistema tem por base as vibraes peridicas do cristal de quartzo, sustentados eletricamente, servem como padres de tempo secundrios.

Para obter-se uma melhor padronizao de medida do tempo foram desenvolvidos os relgios atmicos utilizando-se como padro as vibraes atmicas peridicas. Em 1967, foi adotado como padro internacional o segundo tendo por base o relgio de Csio-133. O segundo foi definido como sendo 9.192.631.770 perodos de determinada transio particular do 133Cs.

Para expressarmos propriedades fsicas muito grandes, ou muito pequenas, podemos usar mltiplos ou submltiplos das unidades bsicas de medidas (tabela 1.2).

Em biologia, utilizam-se frequentemente os submltiplos das unidades padres por serem mais adequados quantificao dos eventos que ocorrem nos sistemas biolgicos. Para expressarmos adequadamente as quantidades de massa utilizamos os submltiplos do quilograma, o grama (g), o miligrama (mg), o nanograma (ng) e o picograma (pg); para as medidas de espao, o centmetro (cm), o milmetro (mm), o micrometro (m), o nanmetro (nm) e o picmetro (pm).

Tabela 1.2. Mltiplos e submltiplos das unidades de medidas

Prefixo

Smbolo

Fator

Prefixo

Smbolo

Fator

Deca

da

101

deci

d

10-1

Hecto

h

102

centi

c

10-2

Quilo

k

103

mili

m

10-3

Mega

M

106

micro

10-6

Giga

G

109

nano

n

10-9

Tera

T

1012

pico

p

10-12

Peta

P

1015

fento

f

10-15

Exa

E

1018

atto

a

10-18

Conceito de Biofsica. Segundo Volkenshtein, a Biofsica ou fsica dos fenmenos da vida, estuda os eventos vitais em nveis molecular, celular, terminando pela biosfera em seu conjunto e para o Professor Ibraim F. Heneine, a Biofsica o estudo da matria, energia, espao e tempo nos sistemas biolgicos. De outra forma, podemos conceituar a Biofsica como a cincia que estuda os aspectos fsicos e fsico-qumicos relacionados aos processos biolgicos e as suas interaes com o ambiente.

Para Volkenshtein, o contedo da Biofsica no est obrigatoriamente ligado utilizao de aparelhos fsicos na experimentao biolgica. As investigaes biolgicas comeam com o questionamento fsico do problema relacionado com a natureza viva. Isso significa que tal questo se formula a partir das leis gerais da Fsica e das estruturas atmica e molecular da matria. A natureza viva complexa a tal ponto que, na maioria dos casos, os conhecimentos biolgicos so insuficientes para realizar o tratamento fsico. No entanto, a biologia se desenvolve impulsionada pela biofsica. O estudo biofsico dos problemas da natureza viva permite o conhecimento dos fenmenos vitais sendo, nesta busca, inseparvel da Biologia.

A Biofsica tem permitido esclarecer a estrutura e as propriedades das molculas biolgicas fundamentais, as propriedades e os mecanismos de ao das estruturas celulares, como as membranas, as organelas bioenergticas, os sistemas mecnicos e qumicos, etc. Os modelos fsico-matemticos dos processos biolgicos so elaborados com xito e tm-se realizado tratamentos tericos gerais sobre os mecanismos vitais.

Os sistemas vivos so sistemas heterogneos, altamente ordenados, auto-regulveis, auto-reproduzveis e abertos, ou seja, trocam matria e energia permanentemente com o meio que os rodeiam. Nesses sistemas, as substncias fundamentais so os biopolmeros: protenas e cidos nuclicos.

Carter multidisciplinar da Biofsica. No estudo dos fenmenos vitais, a Biofsica se superpe s reas de atuao de outras cincias, especialmente a Bioqumica e a Biologia. O que diferencia a Biofsica de outros ramos da Biologia o seu mtodo de estudo que tem aspectos comuns com a Matemtica e a Fsica e, tambm, com a Biologia.

Em busca do conhecimento cientfico, a Biofsica se baseia na observao minuciosa, objetiva e imparcial dos processos biolgicos, permitindo a compreenso dos fenmenos vitais e suas causas. Para cumprir seu papel, pressupe a existncia de uma ordem que determina a regularidade dos fatos e o determinismo, ou seja, cada fenmeno tem uma causa determinante.

A Biofsica , tambm, uma cincia experimental. Para a experimentao, limita-se o campo de observao, selecionam-se as variveis cuja influncia se deseja estudar e se elaboram hipteses que devem ser testadas, com metodologia adequada, para se comprovar a pertinncia de cada uma delas. A partir das concluses obtidas sero levantadas novas hipteses que determinaro novas experimentaes.

semelhana da Fsica, a Biofsica uma cincia quantitativa que pretende construir, de forma dinmica, modelos simples, completos e verificveis dos fenmenos biolgicos. Para isso, utiliza a matemtica para definir leis e expresses que representem os fenmenos estudados, permitindo uma melhor compreenso e descrio da cadeia de eventos.

Para estudar os processos vitais, os estudos biofsicos se realizam em trs nveis:

a) domnio atmico e molecular ou biofsica molecular

b) domnio celular e tecidual ou biofsica celular

c) domnio macroscpico ou biofsica de sistemas complexos

A Biofsica Molecular estuda a estrutura e as propriedades fsico-qumicas das molculas biolgicas importantes para a funo celular, principalmente as protenas e os cidos nuclicos, explicando os mecanismos fsicos responsveis pela funcionalidade biolgica das molculas e da interao molecular. Neste domnio, a Biofsica inseparvel da Biologia Molecular e da Qumica, se apoiando nas disciplinas biolgicas, qumicas e na fsica das molculas.

A Biofsica Celular estuda a estrutura e a funcionalidade das clulas e tecidos, particularmente relacionado com a fsica das membranas biolgicas e dos processos bioenergticos. Inclui os fenmenos de transporte de substncias atravs das membranas celulares, a gerao e transmisso de fenmenos eltricos produzidos pelas clulas, os processos mecnicos e qumicos, particularmente a contrao muscular e o estudo dos fenmenos relacionados com a viso, audio e a fonao.

A Biofsica de Sistemas Complexos se dedica a examinar os problemas fsico-biolgicos gerais e a simulao fsico-matemtica dos processos biolgicos, incluindo a termodinmica dos processos reversveis e a modulao cintica, os fenmenos bioenergticos e os processos de desenvolvimento biolgico.

Teoria dos Campos. Matria e energia so diferentes estados de uma mesma qualidade fundamental. A matria se caracteriza pela impenetrabilidade e pela massa da inrcia e a energia pela capacidade de realizar trabalho. A Teoria dos Campos integra os conceitos de matria e energia e de espao e tempo.

Toda matria gera e emite um campo que energia. Essa energia se manifesta no espao-tempo como uma fora capaz de atuar sobre o campo gerado por outro corpo, produzindo trabalho.

MATRIA ENERGIA FORA TRABALHO

Os corpos, ao interagirem entre si, no o fazem diretamente, as interaes ocorrem entre seus campos. A propagao da interao dos campos no espao se faz atravs da propagao do efeito do campo e demanda tempo para ocorrer. Esses fenmenos ocorrem em sequncia temporal, desencadeando eventos sucessivos dentro do espao-tempo, produzindo nele mudanas.

A energia gerada pela matria existe sob dois estados, como energia armazenada, em repouso, ou energia potencial e como energia em movimento ou energia cintica, realizando trabalho. A energia potencial pode ser convertida em energia cintica e vice-versa.

A energia emitida pela matria, ou campo, se manifesta como fora gravitacional, fora eltrica, magntica e eletromagntica e fora nuclear forte e fraca.

Fora gravitacional. A fora gravitacional universal, sendo emitida por todo e qualquer corpo de forma permanente, de acordo com a sua massa e energia. Segundo a Lei da Gravitao Universal de Isaac Newton, cada corpo no universo atrado por todo e qualquer outro corpo por uma fora proporcional a sua massa e inversamente proporcional ao quadrado da distncia entre eles.

F = G x m1 x m2 / d2

Onde, G a constante gravitacional, m1 e m2 as massas dos corpos e d a distncia entre eles.

A energia gravitacional atua somente como fora de atrao e age a longas distncias. A gravitao universal explica a organizao macroscpica do universo. A gravidade faz com que a lua se mova em rbita elptica em torno da terra e a terra e os planetas em trajetrias tambm elpticas em torno do sol.

O campo gravitacional da Terra atua por fora de atrao sobre os corpos em sua superfcie. A ao gravitacional influi na estrutura e atividades dos sistemas biolgicos, manifestando-se como peso, presso e movimento, sons, rudos e deslocamentos de fluidos, os gases e lquidos. O campo G auxilia na introduo de fluidos no organismo, como na terapia intravenosa de lquidos, e na drenagem de fluidos de cavidades corporais. Do mesmo modo, age sobre o sangue, as vsceras e o esqueleto modelando a estrutura e a resistncia do tecido sseo.

Os seres vivos so dotados de mecanorreceptores para a percepo de estmulos mecnicos, como os tteis, barorreceptores que sentem presso e, em algumas espcies, receptores que indicam a direo do campo gravitacional da Terra.

O campo G pode ser provocado. A acelerao dos corpos produz, de modo transitrio, o aumento do campo G, que pode ser utilizado para a precipitao de corpos de pequena massa em suspenso. As centrfugas so mquinas que provocam movimento de rotao uniformemente acelerado, causando aumento do campo gravitacional.

Foras eltrica, magntica e eletromagntica. A fora eltrica gerada por partculas dotadas de carga eltrica. A fora magntica gerada por cargas eltricas em movimento ou pela ordenao dessas cargas, produzindo os ims com seus plos norte e sul.

A fora eltrica age a distncias mdias e, da mesma forma que a fora gravitacional, varia com o inverso do quadrado da distncia. A fora magntica age a pequenas distncias e, tambm, varia com o inverso do quadrado da distncia.

A fora eletromagntica que interage com os campos eltricos das partculas portadoras de carga eltrica, muito mais forte que a fora gravitacional. A fora entre duas cargas positivas repulsiva, assim como entre duas cargas negativas, e atrativa entre cargas diferentes, positivas ou negativas.

Um corpo grande, como a Terra ou o Sol, contm aproximadamente o mesmo nmero de cargas positivas e negativas. Dessa forma, as foras atrativas e repulsivas entre as partculas individuais quase se anulam mutuamente, deixando uma fora eletromagntica resultante muito pequena.

Nos tomos ou molculas, as foras eletromagnticas predominam. As interaes entre eltrons e prtons provocam a rotao dos eltrons ao redor do ncleo do tomo, exatamente como a atrao gravitacional provoca o movimento da Terra em torno do Sol. A fora que mantm tomos e molculas ligadas entre si , tambm, de carter eltrico e magntico. A fora magntica participa na determinao da estrutura tridimensional das molculas, nas suas propriedades e no modo de interao entre elas. O campo magntico usado para investigar propriedades magnticas de sistemas vivos, atravs de mtodos como a ressonncia magntica nuclear e ressonncia paramagntica de eltrons.

O campo eletromagntico est presente em todos os seres vivos sob a forma de calor. O campo eltrico e magntico responsvel pelas reaes qumicas.

A fora eletromagntica pode tambm ser gerada e propagada como campos eltrico e magntico combinados, constituindo o grupo das radiaes eletromagnticas, onde esto includas as radiaes csmicas, X, gama, solar (ultravioleta, visvel e infravermelha) e as ondas de rdio e televiso. As radiaes eletromagnticas podem atingir distncias astronmicas.

O campo eletromagntico responsvel pelos fenmenos da viso e da fotossntese. Esse campo, na forma de radiaes (gama, X, ultravioleta, visvel e ondas de rdio), encontra grande aplicao em Biologia, na teraputica, nos mtodos de anlise, etc.

Os seres vivos em sua atividade biolgica produzem os trs campos: eltrico, magntico e eletromagntico. As clulas e os lquidos orgnicos so compostos de molculas e ons dotados de cargas eltricas. O campo eltrico gerado e o movimento de cargas durante as atividades celulares, propagadas para a superfcie corporal, podem ser medidas e registradas como eletrocardiograma (ECG), eletromiograma (EMG), eletroencefalograma (EEG) e eletrorretinograma (ERG). O campo eltrico tambm utilizado como instrumento de anlise e investigao de constituintes dos sistemas biolgicos, para a separao de biopolmeros dotados de carga eltrica, como as protenas, na eletroforese. A aplicao de correntes eltricas nos tecidos produz efeitos teraputicos importantes.

Fora nuclear. A fora nuclear age apenas em distncias curtas, intranucleares. Est composta pela fora nuclear forte e fraca. A fora nuclear forte atua como foras de atrao e repulso muito fortes. Ela responsvel pela manuteno da estrutura organizada de prtons e nutrons no ncleo dos tomos. A fora nuclear fraca age em todas as partculas da matria. As foras fracas so responsveis pelo fenmeno radiativo, onde partculas e energias so emitidas pelo ncleo sem desintegrao da estrutura atmica.Captulo 2MANOMETRIA. SISTEMAS DE INFUSO E DRENAGEM EM COMPARTIMENTOS BIOLGICOS

A presso de um gs se deve a agitao molecular, consequncia da energia cintica de seus componentes (figura 2.1). Essa agitao molecular determina colises entre os diversos componentes dos gases, contra as paredes dos recipientes que os contm e nas superfcies de contato entre sistemas em diferentes estados fsicos, como gs-slido e gs-lquido.

Os fluidos, lquidos e gases, so atrados pelo campo gravitacional da terra e, em consequncia dessa atrao de massas, exerce uma fora sobre a superfcie da Terra e as paredes dos recipientes que os contm, manifestando-se como presso. Do ponto de vista fsico, a presso determinada pela ao da fora sobre uma rea unitria, sendo expressa por: P = F/A, cujas unidades so o Newton/m2 ou Pascal (Pa), a atmosfera (atm), o milmetro de mercrio (mmHg) e o Bar. A presso transmitida sempre perpendicularmente superfcie da rea.

Assim sendo, a presso atmosfrica causada pelas molculas do ar em coliso contra a superfcie da Terra, exercendo uma fora que se manifesta como presso (Figura 2.2).

BFigura 2.2. Presso atmosfrica. A - Molculas de gs atradas pelo campo gravitacional da Terra. B - Variao com a altitude, os vetores representam a presso que diminui com a altitude.

Em nvel do mar a presso atmosfrica capaz de sustentar uma coluna de mercrio de 76 cm ou 760 mm de altura (Figura 2.3). De acordo com a lei da gravitao universal, a fora de atrao gravitacional depende diretamente do produto das massas e inversamente ao quadrado da distncia, ou seja:F = G x m1 x m2 / d2

Assim, quando nos afastamos da superfcie da Terra a presso atmosfrica decresce em funo da altitude (figura 2.2. B).

Entende-se por presso NEGATIVA o nvel de presso medido abaixo de um valor de referncia considerado nvel "zero". Desta forma, no existe presso negativa (que em teoria seria um estado de no fora sobre uma rea). O referencial mais conveniente, em geral, a presso atmosfrica ao nvel do mar, ou seja, l atm ou 760 mmHg.

A presso da atmosfera atua em todos os sentidos. Havendo desequilbrio de presses o fluido tende a deslocar-se no sentido do gradiente (do maior para o menor) a fim de torn-las equilibradas.

Respirao pulmonar. A respirao pulmonar um exemplo da atuao dessas presses e dos conceitos que ora so apresentados.

Os movimentos respiratrios so os de expanso (inspirao) e retrao (expirao) pulmonares. Os pulmes podem se expandir e retrair de duas maneiras: l) pelos movimentos do diafragma para cima e para baixo, aumentando ou diminuindo a cavidade torcica e 2) pela elevao e abaixamento das costelas com o objetivo de aumentar e diminuir o dimetro antero-posterior da cavidade torcica.Movimentos do diafragma e da caixa torcica. A respirao normal em repouso realizada quase que inteiramente pelo movimento inspiratrio do diafragma. Durante a inspirao, a contrao do diafragma traciona a superfcie inferior dos pulmes para baixo, aumenta o dimetro vertical do trax. No entanto, para uma inspirao forada faz-se necessrio, alm do movimento do diafragma para baixo, a contrao dos msculos intercostais externos projetam as costelas e o esterno para frente, aumentando o dimetro antero-posterior do trax, expandindo o volume da caixa torcica. De acordo com a lei de Boyle-Mariotte, o aumento de volume da caixa torcica provoca a diminuio da presso do ar nos alvolos (presso intra-alveolar), tornando-a negativa em relao presso atmosfrica. Ao se estabelecer o gradiente de presso, o ar se move para dentro dos pulmes atravs das vias areas a fim de restabelecer o equilbrio entre as presses, promovendo a inspirao (figura 2.4.).

Para uma expirao em repouso, o diafragma relaxa e encurta o dimetro vertical da caixa torcica, as costelas formam um ngulo para baixo, reduzindo o dimetro antero-posterior do trax e a retrao elstica dos pulmes promovem a elevao da presso intra-alveolar, que se torna positiva em relao a presso atmosfrica, estabelecendo-se o gradiente de presso que promove o movimento do ar para fora dos pulmes. Na expirao forada, as foras elsticas do trax e dos pulmes no so fortes o suficiente para gerar um gradiente de presso necessrio para uma expirao vigorosa. Para isso, atuam em conjunto os msculos expiradores torcicos, que tracionam as costelas para baixo, e os msculos da parede abdominal, que ao se contrarem, comprimem as vsceras forando o contedo abdominal contra a face inferior do diafragma, empurrando-o para cima, reduzem muito o volume torcico e, dessa forma, estabelece-se um gradiente de presso capaz de mobilizar um volume grande de ar para fora dos pulmes (figura 2.4.).

Figura 2.4. Representao esquemtica dos movimentos torcicos durante a inspirao e expirao.

Inspirao: Expanso da caixa torcica ((V) ( ( Presso intra-alveolar que se torna menor que a presso atmosfrica, estabelecendo-se o gradiente de presso (Presso atmosfrica > Presso intra-alveolar) e o movimento do ar para dentro dos pulmes.

Expirao: Retrao da caixa torcica ((V) ( ( Presso intra-alveolar que se torna maior que a presso atmosfrica. O gradiente de presso (Presso intra-alveolar > Presso atmosfrica) move o ar para fora dos pulmes.

Presso hidrosttica. Presso hidrosttica a presso exercida pelos lquidos em repouso. Para um lquido que ocupa um recipiente observa-se uma variao de presso de acordo com a altura de um ponto considerado em relao a um referencial, que, geralmente, a superfcie livre do lquido, se houver. A causa da variao de presso o peso do lquido por unidade de rea que varia em pontos diferentes do lquido (figura 2.5).

Figura 2.5. A variao de presso hidrosttica depende da altura do ponto considerado em relao superfcie livre do lquido. Po a presso na superfcie livre do lquido (igual presso atmosfrica), ( a densidade do lquido, g a acelerao da gravidade e h a altura do ponto em relao a um referencial.

MANOMETRIA. Refere-se medida da presso exercida por gases em expanso e por lquidos nas paredes dos recipientes que os contm.

A medida quantitativa da presso realizada por manmetros. Os manmetros podem ser: l) Anerides, onde a leitura feita pela observao do movimento da agulha em uma escala graduada, ou 2) Manmetros de mercrio (ou de gua), onde a leitura se faz pelo movimento de uma coluna de mercrio (ou de gua) em uma escala graduada.

Manometria de lquido e compartimentos orgnicos. Deve-se aferir o estado pressrico dos diferentes compartimentos do organismo em diferentes situaes clnicas.

So nveis de presso relevantes:

1) A presso do sangue nas paredes dos vasos.2) Do lquor nas meninges.3) A presso intraocular.4) A presso dentro das vias biliares.

As presses nestes compartimentos so importantes por representar estados de anormalidades funcionais que devem ser corrigidas.

A manometria pode ser realizada por dois mtodos:

a) Mtodo cruento. Consiste em colocar o lquido, cuja presso se deseja aferir, em contato direto com o manmetro.

So exemplos de manometrias pelo mtodo cruento:

1. Avaliao da presso liqurica por puno do espao subaraquinideo. Com o paciente em decbito lateral e a coluna vertebral em flexo, uma agulha fina e longa introduzida no espao entre a terceira e a quarta vrtebras lombares at alcanar o espao subaracnideo permitindo a sada do lquor. A colocao de um manmetro de gua permite a aferio da presso liqurica. A presso normal de 10 a 13,8 mmHg.

2. Manometria da Presso Venosa Central (PVC). A aferio da PVC de grande importncia clnica, sendo realizada pela introduo de um cateter na veia cava superior, utilizando como acesso uma veia profunda do brao direito, atravs de dessecao cirrgica ou por puno da veia subclvia.

O equipo utilizado na aferio da PVC tipo Y, onde o ramo esquerdo usado para a infuso de lquido no paciente, o ramo central se conecta ao cateter do paciente e o ramo direito utilizado como manmetro para a aferio da PVC. O ramo direito posicionado sobre uma escala de leitura que deve ser fixada no suporte do recipiente com o lquido de infuso (figura 2.7). O nvel zero da escala estabelecido por um plano perpendicular a linha axilar mdia do paciente, devendo ser realizado com bastante rigor para permitir a correta leitura do nvel de presso.

Quando se deseja aferir a PVC, fecha-se o ramo central (que se dirige ao paciente) permitindo, desta forma, que o ramo direito se encha de lquido. Em seguida, fecha-se o ramo esquerdo e abre-se o ramo central. A coluna liquida do ramo direito desce deslocando-se sobre a escala at nivelar-se, onde permanece oscilando entre dois valores devido aos movimentos respiratrios do paciente. O valor da PVC corresponde, em centmetros de gua (cm H2O), a mdia aritmtrica dos valores lidos na escala numrica. O valor normal da PVC de 8 a 12 cm H2O. Os valores superiores aos limites da normalidade tem como significado clnico a insuficincia do bombeamento do corao, enquanto que valores inferiores significa diminuio do volume sanguneo (hipovolemia) ou insuficiente hidratao.

3. Manometria das vias biliares. A aferio da presso da rvore biliar pode ser realizada por coneco direta do ducto coldoco com um manmetro durante a cirurgia das vias biliares com o objetivo de avaliar a capacidade de drenagem da bile pela ampola de Vater. A presso biliar elevada se deve a obstruo a passagem da bile para o duodeno. O valor normal mdio de 30 cm H2O (em inanio).

b) Mtodo incruento. Esse mtodo utiliza meios indiretos para a aferio das presses.

So exemplos de manometrias pelo mtodo incruento:

1. Aferio da presso intra-ocular. realizada pela anlise do estado tensional do globo ocular (figura 2.8). O tonmetro aplica uma presso, atravs do mbolo central, deprimindo a superfcie da crnea anestesiada, avaliando o grau de tenso. O grau de deformao da crnea depende da presso intra-ocular. O valor da presso intra-ocular determinado utilizando-se uma tabela de converso a partir do grau de tenso avaliado. O humor aquoso formado e reabsorvido continuamente. O balano entre a formao e a reabsoro do humor aquoso regula o seu volume total e a presso do lquido intra-ocular. A falha do sistema de drenagem do humor aquoso aumenta o seu volume e eleva a presso intra-ocular ou glaucoma. A presso intra-ocular deve ser sistematicamente pesquisada em todos os indivduos com idade superior aos 40 anos, pelo menos uma vez ao ano, a fim de se detectar aumentos de presso intra-ocular O valor normal de 15 a 25 mmHg.

2. Aferio da presso sangunea. A medida da presso sangunea pode ser avaliada pelos mtodos: a) Palpatrio (afere a presso mxima ou sistlica); b) Auscultatrio (afere as presses mxima e mnima ou diastlica); c) Oscilatrio (afere a presso mdia).

Os mtodos auscultatrio e palpatrio so avaliados pela compresso de uma artria criando um obstculo passagem do sangue. Ao ser descomprimida, em dado instante, a fora exercida pelo sangue capaz de vencer a resistncia do obstculo, surgindo assim uma pulsao que pode ser sentida (tato) ou ouvida (atravs do estetoscpio). Valores normais: Presso arterial mxima 105 a 140 mmHg. Presso arterial mnima 60 a 90 mmHg.

Sistemas de Infuso e drenagem de compartimentos

A sinfonagem um sistema simples de infuso e drenagem de compartimentos onde as foras envolvidas so a gravidade e a presso atmosfrica. um processo utilizado para a drenagem de lquidos em recipientes ou de pacientes, onde se observa o fluxo de lquidos quando h um desequilbrio nas presses envolvidas (figura 2.10).

Introduo de lquidos em compartimentos

A administrao endovenosa de lquidos basicamente realizada por ao do campo gravitacional. Para que a infuso dos lquidos ocorra necessrio apenas que a energia potencial do lquido seja maior do que a energia potencial do sangue venoso. Esta condio alcanada quando se eleva o recipiente contendo o lquido a infundir acima do nvel de 10 cm do corao (figura 2.11). Levando-se em considerao a resistncia ao fluxo do liquido no sistema de infuso deve-se aumentar a altura do recipiente com o objetivo de favorecer o fluxo.Sistemas de drenagem por sinfonagem

a) Drenagem vesical. A utilizao de uma sonda (tipo Foley) permite drenar a urina da bexiga. A sonda de Foley um tubo de borracha que apresenta um balo em sua extremidade e duas vias. Uma delas, quando aberta, permite o movimento de lquidos para dentro e para fora da bexiga. A outra via, fechada por meio de uma vlvula, permite encher o balo com ar ou gua, o que permite fixar a sonda na bexiga. A sonda introduzida na bexiga atravs da uretra permite drenar a urina em funo do nvel onde se encontra o recipiente coletor. A diferena de nvel determina a velocidade de escoamento.

b) Drenagem gstrica. Atravs de uma sonda de polipropileno (tipo nasogstrica, Levine ou Nelaton) se pode acessar o estmago, utilizando a boca ou o nariz do paciente. Tem como objetivo a introduo de lquidos ou a drenagem de gases e lquidos de estase. Para a infuso de lquido, eleva-se o recipiente acima do nvel do paciente ou aplica-se presso positiva. Por outro lado, permite-se a drenagem da cavidade posicionando o recipiente coletor em um nvel inferior ao do paciente. A drenagem gstrica visa a descompresso do trato gastrintestinal, diminuindo a distenso abdominal.c) Drenagem torcica. A presso intra-alveolar oscila em nveis inferior e superior (em tomo de l mmHg) ao da presso atmosfrica durante a inspirao e expirao. Esta variao consequncia dos movimentos dos msculos respiratrios, principalmente do diafragma, que amplia a cavidade torcica tornando a sua presso interna subatmosfrica permitindo o movimento do ar para o pulmo atravs das vias respiratrias (inspirao). A retrao da caixa torcica, devido as caractersticas elsticas do pulmo e parede torcica com o auxlio da musculatura expiradora, eleva a presso acima da presso atmosfrica determinando o movimento do ar para o exterior (expirao).

Ao se expor a cavidade pleural presso atmosfrica, atravs de uma abertura na parede torcica, observa-se a ao de sua fora sobre a pleura no permitindo a expanso do pulmo em conseqncia da inexistncia do desequilbrio entre as presses a nvel dos pulmes e a presso atmosfrica. Na drenagem de lquidos e gases acumulados no espao pleural, sem a interferncia na funo respiratria, deve-se evitar a ao da presso atmosfrica no espao intrapleural. Para isso, usa-se o peso de uma coluna liquida (gua) para exercer presso negativa no folheto pleural.

Para a drenagem torcica, uma extremidade do tubo de drenagem introduzida na cavidade pleural atravs da parede torcica, enquanto que o outro extremo conectado a um tubo mergulhado no lquido do recipiente de drenagem (figura 2.12). Nestas condies, a presso intrapleural (PIP) se transmite ao longo do sistema, observando-se a subida do nvel lquido no interior do tubo de drenagem quando a presso intrapleural menor que a presso atmosfrica (inspirao) e a drenagem da cavidade pleural quando a presso intrapleural maior que a presso atmosfrica (expirao).

Podemos estabelecer que o nvel do lquido do recipiente de drenagem:

P. atm = PIP + (p

Onde, Ap a presso da coluna lquida. Ou:

(p = P. atm PIP

Portanto, o (p a diferena entre a presso atmosfrica e a presso intrapleural. Em mdia, o (p igual a 10 cm de H2O.

Captulo 3

BIOFSICA DA GUANos sistemas biolgicos, a gua a substncia mais abundante e cumpre a importante funo de dissolver os diferentes componentes dos lquidos orgnicos, sendo, portanto, o solvente fundamental dos seres vivos.

Estrutura da gua. A molcula da gua formada por um tomo de oxignio e dois tomos de hidrognio (H2O). Os tomos de hidrognio esto unidos por ligaes covalentes s-p ao tomo de oxignio, mas com os pares de eltrons compartilhados permanecendo prximos ao tomo de oxignio em consequncia de sua eletronegatividade, formando uma ligao polar forte. Na natureza, a gua pode ser encontrada nos trs estados fsicos da matria slido, lquido e gasoso. Somente no estado gasoso, a gua pode ser representada por uma nica molcula, ou seja, no associada uma s outras por foras de interao eletrostticas. Nessa forma, a estrutura da gua denominada hidrol (H2O).

O hidrol assume configurao angular. As ligaes entre os tomos de hidrognio (H O H) formam um ngulo de 10440. A molcula da gua assimtrica e de carter polar. O seu plo negativo representado pelo tomo de oxignio, eletronegativo, deixando o ncleo do hidrognio, desfalcado do seu eltron, como seu plo positivo (figura 3.1).

Figura 3.1. Molcula da gua (hidrol)A forma geomtrica da molcula da gua aproximadamente trigonal e se fosse considerada esfrica teria um raio de 0,3 nanmetro (nm).

Os tomos de hidrognio, positivamente carregados, so fortemente atrados pelo tomo de oxignio da molcula prxima, negativamente carregado, formando ligaes do tipo dipolo permanente-dipolo permanente e, nesse caso, denominadas pontes de hidrognio. A estrutura polar da molcula da gua permite a formao de pontes de hidrognio, sendo possvel duas pontes de hidrognio por molcula. A energia envolvida no estabelecimento das pontes de hidrognio de aproximadamente 5 (cinco) kcal x mol-1 por molcula (figura 3.2).

Figura 3.2. Pontes de hidrognio da gua (H ----) Ponte de H.

Quando a gua congela, ela se expande e flutua sobre a gua lquida. Por ao das foras intermoleculares, as molculas so orientadas de acordo com seus dipolos. Na organizao estrutural complexa no gelo, cada molcula de gua est ligada tetraedricamente a quatro outras molculas por meio de pontes de hidrognio. Duas molculas prximas esto ligadas atravs dos tomos de hidrognio de uma molcula a duas outras vizinhas. Esse arranjo se desenvolve em uma estrutura tridimensional contendo anis de seis membros de molculas de gua agrupadas e seu volume excede o das molculas do lquido, explicando a expanso da gua quando se solidifica.

A gua em estado lquido mantm parte da estrutura do gelo, mas quando se funde a temperaturas mais elevadas, progressivamente as pontes de hidrognio se rompem. A densidade da gua mxima a 4C, quando os agregados de molculas de gua apresentam um efeito de empacotamento desordenado. medida que se rompem mais pontes de hidrognio, em temperaturas mais elevadas, os agregados diminuem de tamanho, mas os efeitos cinticos provocam uma diminuio de densidade.

Propriedades fsicas da gua

Poder solvente. A molcula da gua, por sua polaridade e elevada constante dieltrica, um excelente solvente. O dipolo permanente da gua interage com dipolos permanentes e ons, induzem a formao de dipolos nas molculas em dissoluo e atua reduzindo a fora de atrao entre as molculas. Dessa forma, interage e dissolve molculas que possuem grupamentos qumicos caractersticos das diferentes funes orgnicas, como a hidroxila (-OH), o aldedo (-CHO), a carboxila (-COOH), a carbonila (-CO) e a amina (-NH2), que so denominados, por isso, hidroflicos. Por outro lado, o seu poder solvente nulo ou bastante reduzido diante de molculas com grupamentos hidrofbicos, como, por exemplo, -CH2 e CH3 dos hidrocarbonetos.

Constante dieltrica. A molcula da gua exerce forte influncia na prpria fora de unio entre os tomos que formam as molculas. Essas molculas em dissoluo sofrem influncia do campo eltrico da gua de modo a terem suas estruturas perturbadas promovendo, inclusive, a dissociao inica e o rompimento de ligaes covalentes, induzindo a formao de ons. Esse poder indutor, chamado de constante dieltrica, especialmente elevado para a molcula da gua.

Densidade. A densidade de um corpo definida como a sua massa por unidade de volume (d = m / V). Em consequncia de sua abundncia e importncia, se atribuiu, por conveno, densidade da gua a 4C, o valor de 1g/cm3.

A densidade de um corpo aumenta com o resfriamento e diminui com a elevao da temperatura devido s suas retrao e expanso volumtricas. Nesse particular, a gua assume uma caracterstica prpria, exibindo aumento da densidade, de comportamento linear, com a diminuio da temperatura at 4C, onde apresenta densidade mxima. Portanto, a densidade da gua diminui em temperaturas acima e abaixo de 4C, ou seja, a gua apresenta dilatao volumtrica nessas temperaturas.

Calor especfico. Entende-se por calor especfico de um corpo a quantidade de calor necessrio para elevar em 1C a massa de 1g da substncia. A gua tem, por conveno, calor especfico igual a 1, o que significa dizer que so necessrios adicionar 1000 calorias (1 kcal) para elevar em 1C a temperatura de 1 litro, ou seja, 1 caloria por mililitro de gua. Isso representa um valor alto, quando comparado ao valor do calor especfico de outras substncias, como o etanol, metanol e a glicerina, que variam de 0,4 a 0,6 kcal e a dos glicerdeos, lipdios e protdeos que esto em torno de 0,3 kcal.

Condutividade calorfica. O calor uma energia que flui atravs dos corpos em obedincia aos gradientes trmicos. Esse transporte se faz em diferentes velocidades para os diferentes corpos.

A condutividade trmica pode ser definida pela equao:

q = -E x S x d( / dx x t

Onde, q a quantidade de calor que se propaga, E um fator que dependente de cada corpo denominado condutividade especfica, S a superfcie de propagao do calor, d( / dx o gradiente de temperatura entre dois pontos dados e t o tempo de observao.

Quando todos os valores forem unitrios, ento q=E. Desta forma, a condutividade especfica a quantidade de calor que flui por unidade de tempo atravs de uma superfcie unitria entre dois pontos distante de uma unidade e que tem entre si uma diferena de temperatura tambm unitria. A quantidade q prpria de cada corpo.

A gua tem uma elevada condutividade especfica, de 0,0013, em relao aos lquidos e constituintes orgnicos, mas muito baixa se comparada aos metais.

Calor de vaporizao. Todas as molculas dos corpos tm a tendncia de passar para o estado gasoso por ao de uma fora, chamada tenso de vaporizao. A velocidade com que o fenmeno ocorre, depende da qualidade de cada corpo e da temperatura em que ele se encontra. Dessa forma, para cada temperatura, o corpo necessita de uma certa quantidade de energia para evaporar suas molculas e quanto mais elevada a temperatura do corpo menor ser a energia necessria para evapor-las.

A gua tem alto calor de vaporizao. Para elevar 1g de gua a 20C necessitam-se de 593 calorias e a 37C, 581 calorias. Esse alto valor de vaporizao apresenta duas vantagens: 1) para os sistemas biolgicos se desidratarem, necessitam gastar mais energia e 2) a gua exerce um importante papel no controle da temperatura corporal, como ser discutido no captulo que trata da regulao da temperatura corporal.

Tenso superficial. As interaes intermoleculares tendem a manter coesas as molculas de um lquido. As molculas da camada mais superficial so atradas para o centro e constituem uma espcie de membrana que reduz a superfcie. A tenso superficial da gua alta e, certamente, concorre bastante para a compartimentalizao biolgica.

Viscosidade. A viscosidade depende diretamente da interao entre as suas molculas constituintes. A gua deveria ter alta viscosidade em razo das pontes de hidrognio e isso seria um fator desfavorvel. Mas, a viscosidade da gua muito baixa, sendo de 4 x 10-3 Pas ou 0,04 poise a 20C e acredita-se que isso se deve contnua flutuao das pontes de hidrognio, que se desfazem e se refazem em um tempo muito curto, da ordem de 10-11 segundos. A alta viscosidade seria prejudicial a todas as trocas hdricas do organismo e no caso da circulao sangunea representaria um obstculo a hemodinmica.Captulo 4DISPERSES

Disperses so misturas de duas ou mais substncias. Os componentes da mistura podem estar em qualquer um dos trs estados da matria: slido, liquido ou gasoso. Dessa forma, os componentes das disperses so, pelo menos, um dispersante, que, em geral, aquele que se encontra em maior extenso, e um disperso. Nas disperses, onde todos os componentes esto em estado slido, por exemplo, as ligas metlicas, ou em estado gasoso ou disperses gasosas, no se pode reconhecer o dispersante e o disperso, por isso, as substncias constituintes so denominadas componentes da disperso.

Entende-se por fase de uma disperso, cada componente que pode ser visualizado, inclusive utilizando instrumentos de aumento, como lupas e microscpios.

As disperses so classificadas de acordo com o tamanho mdio do disperso em:

1. Solues, onde o tamanho mdio do disperso menor que um (1) milimicron (m).

2. Colides, onde o tamanho mdio do disperso varia entre 1 e 100 milimicra.

3. Suspenses, onde o tamanho mdio do disperso maior que 100 milimicra.

Considere uma amostra de sangue obtida por puno venosa. A simples observao, o sangue nos parece um lquido viscoso e homogneo. Se uma parte da amostra do sangue for colocado em um tubo de ensaio, contendo algumas gotas de um anticoagulante como a heparina, e misturado suavemente, deixando-o em repouso, podemos observar a gradativa separao, por sedimentao, de uma parte slida e outra lquida. Se agitarmos o tubo, facilmente reconstitumos a mistura. Se algumas gotas do sangue forem colocadas em uma lmina de vidro e espalhadas por uma lamnula e levada para observao ao microscpio ptico, identificamos um grande nmero de elementos celulares: hemcias (glbulos vermelhos), leuccitos (glbulos brancos) e plaquetas. Se o tubo for levado para centrifugao, todos os elementos celulares iro rapidamente se depositar no fundo do tubo, formando o sedimento, sendo a parte lquida denominada plasma. Se observarmos o plasma ao microscpio ptico, nenhum elemento pode ser visto, mas, sua anlise qumica revela a presena de muitas substncias, entre elas diferentes protenas, como a albumina, o fibrinognio e as globulinas alfa, beta e gama.

Se uma outra parte da amostra de sangue for deixada em um tubo de ensaio sem heparina, a coagulao ativada levando a formao do cogulo, que agrega toda a parte slida do sangue, incluindo os elementos celulares e as protenas plasmticas, liberando a parte lquida que denominamos soro sanguneo. Da mesma forma, no exame microscpico do soro nada pode ser observado, mas, sua anlise qumica mostra ser constituda por uma mistura contendo sais, glicose, gorduras, gases em dissoluo e outras substncias.

Utilizando o tamanho mdio do disperso podemos classificar o sangue total como uma suspenso porque contm elementos celulares, portanto, maiores que 100 m. No caso do plasma, o disperso de maior tamanho composto por protenas dissolvidas, cuja ordem de grandeza est entre 1 a 100 m, ou seja, constituem um colide. O soro, como est formado por molculas pequenas, menores que 1 milimicron, uma soluo.Caractersticas das disperses. Em funo do tamanho mdio do disperso, as disperses apresentam caractersticas que as diferenciam.

Nmero de fases. De acordo com a capacidade dos diferentes componentes da mistura serem visualmente identificados, as suspenses apresentam dispersos facilmente vistos utilizando a viso desarmada ou instrumentos de aumento sendo, portanto, misturas de mais de uma fase ou heterogneas. Os colides, em consequncia da ordem de grandeza dos dispersos, s podem ser visualizados utilizando microscpios de grande aumento, mas, mesmo assim, constituem misturas heterogneas. No caso das solues, os dispersos no podem ser visualizados, mesmo utilizando instrumentos de aumento, constituindo, dessa forma, misturas monofsicas ou homogneas.

Separao por filtrao. Quanto capacidade dos componentes da mistura serem separados mecanicamente por filtrao, as suspenses so facilmente filtradas utilizando filtros comuns. Os colides s podem ser filtrados por meio de ultrafiltros; e, as solues no podem ser filtradas.

Separao por sedimentao. Quanto capacidade de sedimentar os diferentes componentes da mistura, as suspenses sedimentam facilmente; os colides sedimentam unicamente utilizando ultracentrfugas; e, as solues no sedimentam por qualquer meio.

Solues. So misturas de duas ou mais substncias que apresentam as mesmas propriedades fsicas e qumicas em toda a sua extenso. Ao se dissolver o disperso, denominado soluto, no dispersante, ou solvente, obtm-se uma mistura homognea composta por substncias intimamente misturadas, onde os componentes no podem ser separados por nenhum processo mecnico. Para a obteno de uma soluo necessrio que os componentes sejam miscveis ou solveis entre si.

As solues podem ser slidas, lquida ou gasosa na dependncia do estado fsico do solvente e do soluto, podendo as substncias que as compem estar em um mesmo estado ou em estados fsicos diferentes. Nas solues slidas, todos os componentes da disperso esto no estado slido como, por exemplo, nas misturas de metais ou ligas metlicas, e, nesse caso, no constituem solues verdadeiras, pois os metais no esto dissolvidos uns nos outros, mas apenas ocupando uma determinada posio na estrutura do metal. As solues lquidas tm seus componentes no estado lquido, enquanto as solues gasosas so misturas de gases e, semelhana das solues slidas, no constituem solues verdadeiras, j que os gases esto dispersos ocupando os recipientes que os contm, mas no dissolvidos. Outras combinaes possveis so gs em lquido, gs em slido, slido em lquido, gs em slido e lquido em slido.

As solues aquosas so aquelas de maior interesse para estudo, em razo de a gua ser o solvente dos lquidos orgnicos.

De acordo com a natureza qumica do soluto, as solues podem ser moleculares, quando os seus componentes so molculas, como, por exemplo, a mistura de glicose em gua; ou inicas, como na soluo aquosa de substncias inicas como os sais, ou mistas, inicas e moleculares. Substncias inicas em soluo liberam ons livres que se movem por ao de um campo eltrico gerando fluxo ordenado de cargas, o que constitui as denominadas solues eletrolticas. Solues no eletrolticas so conduzem corrente eltrica.

Concentrao das solues. A concentrao de uma soluo a relao quantitativa entre o soluto e o solvente. Quando expressamos quantitativamente a massa do soluto (m) em gramas e o volume (V) da soluo em litros, nos referimos concentrao simples (C) da soluo, cuja unidade g / l:C = m / V

Da mesma forma, podemos expressar a concentrao simples em miligramas por 100 ou 1000 mililitros da soluo.

Concentrao molar (M) a relao entre o nmero de moles do soluto e o volume da soluo em litros, onde o nmero de moles corresponde massa em gramas do soluto adicionado soluo dividida pelo seu mol. A concentrao molar tem como unidade o mol/l.

M = n / V

Onde, n o nmero de moles, ou seja:

n = m / M

O milimol (mM) corresponde a milsima parte de um mol e o micromol (M) a sua milionsima parte.

Concentrao normal (N) o quociente entre o nmero de equivalente-grama do soluto e o volume da soluo em litros, tendo como unidade o Eq-g / l.O nmero de equivalente-grama igual massa em gramas do soluto presente na soluo dividido pelo equivalente qumico, em caso de o soluto ser um tomo ou on isolado ou o equivalente-grama para substncias compostas.

NEq-g = m / Eq-g

O equivalente qumico definido pelo peso atmico dividido pela valncia do elemento qumico:Para o sdio: EqNa = 23 / 1 = 23g

Para o clcio: EqCa = 40 / 2 = 20g

O equivalente grama dado por:

Eq-g = Mol ou frmula-grama / yOnde, o y um fator igual a:

1. Para os cidos: nmero de hidrognios ionizveis.

2. Para as bases: nmero de hidroxilas

3. Para os sais neutros: nmero de oxidao do ction ou do nion.

Concentrao molal. Em consequncia da expanso ou contrao dos lquidos decorrentes de variaes na temperatura, a mesma soluo em diferentes temperaturas apresentam diferentes concentraes molares ou normais. Assim sendo, pode-se expressar quantitativamente a relao soluto/solvente em concentrao molal, definida pela dissoluo de um mol do soluto em 1000 g do solvente, e no em 1000 ml, como ocorre nas solues molares ou normais:

M = 1000 x m / V x M

Concentrao por cento ou por mil. Podem-se expressar as concentraes das solues em gramas, ou mililitros, por 100 g ou por 1.000 g, ou mililitros, do solvente. Dessa forma, expressamos solues por cento ou por mil. Para solutos slidos dissolvidos em solventes lquidos, temos uma relao de massa a volume (m/v), como o soluto se dispersa no lquido e, praticamente, no produz expanso do volume da soluo, a quantidade do solvente adicionado ser de 100 ml ou 1000 ml. Quando soluto e solvente so lquidos, temos uma relao volume a volume (v/v), e, nesse caso, os volumes se somam, portanto, a quantidade do solvente a ser adicionada deve completar o volume final de 100 ml ou 1.000 ml.

Para uma soluo aquosa de glicose a 10% ou a 10 por mil, adicionamos 10 g do soluto em 100ml ou 1000ml de gua.

Para uma soluo aquosa de lcool a 10% ou a 10 por mil, adicionamos 10 ml de lcool em 90ml ou 990ml de gua.

Partes por milho. Solues gasosas so expressas em partes por milho (ppm) e se refere a quantidade de cada um dos componentes gasosos em nmeros de molculas que compem um milho de molculas da soluo gasosa.Saturao de solues. Quando adicionamos um dado soluto em um litro de gua, mantendo-se constante a temperatura e a agitao, observa-se que o soluto vai se dissolvendo at que, a uma determinada quantidade, a adio de mais soluto no mais se dissolve, precipitando-se para o fundo do recipiente. Nessa condio, diz-se que a soluo est saturada. Tem-se um sistema em equilbrio com duas fases (uma slida e outra lquida), equilbrio este que pode ser modificado por efeito da temperatura. A elevao da temperatura determina um aumento da solubilidade do soluto e, consequentemente, um aumento da concentrao da soluo. Da mesma forma, ao se esfriar a soluo a concentrao volta a diminui, com o soluto excedente precipitando-se. No entanto, quando se resfria lentamente uma soluo saturada pode-se chegar a obter uma soluo de maior concentrao do que a correspondente a essa temperatura. Diz-se, nesta condio, que a soluo est supersaturada. A soluo recupera seu estado de equilbrio pela agitao do lquido ou pela agregao de uma pequena quantidade de soluto.

Solubilidade. A concentrao de uma soluo saturada influenciada pela temperatura e presso em que se faz a dissoluo. A maioria dos sais absorve calor quando se dissolvem, portanto, a solubilidade aumenta com o aumento da temperatura. Em caso de um corpo liberar calor ao se dissolver, como ocorre nos gases, a solubilidade diminui com a elevao da temperatura. O calor absorvido ou liberado denominado calor de dissoluo. No havendo absoro nem liberao de calor, como ocorre na dissoluo de cloreto de sdio em gua, a solubilidade pouco afetada pela temperatura.

A presso desempenha um papel importante na dissoluo dos gases. A maioria dos gases diminui seu volume ao dissolver-se, por isso, o aumento da presso aumenta a solubilidade dos gases.

Propriedades das solues. Do ponto de vista fsico, as propriedades das solues podem ser aditivas, constitutivas e coligativas.

Propriedades aditivas so aquelas que, por serem prprias aos tomos ou molculas do soluto e solvente da soluo, so somadas quando misturados, como, por exemplo, o peso molecular e a carga eltrica.

Propriedades constitutivas so aquelas que dependem da distribuio dos tomos na estrutura da molcula ou do complexo como o ndice de refrao, tenso superficial, solubilidade, etc.

Propriedades coligativas so aquelas que dependem unicamente da quantidade de partculas dispersas na soluo e no de sua composio. As propriedades coligativas das solues so a tonoscopia, a ebulioscopia, a crioscopia e a osmoscopia. O conhecimento dessas propriedades permite calcular o peso molecular e outras propriedades do soluto.

Tonoscopia. A tonoscopia o estudo da diminuio da presso mxima de vapor de um solvente determinada pela dissoluo de um soluto no voltil.

Um tubo de vidro completamente cheio de mercrio, invertido e mergulhado em uma cuba que contm, tambm, mercrio (figura 4.1). A coluna de mercrio desce e estaciona a uma determinada altura, na dependncia da presso atmosfrica, formando uma cmara inicialmente a vcuo. A adio de uma gota de um solvente puro por meio de um conta-gotas atravs do extremo inferior do tubo, o solvente se desloca at a superfcie do mercrio em razo de sua menor densidade. Ao chegar a superfcie, a gota do solvente passa imediatamente para o estado de vapor, em conseqncia da tenso de vaporizao do solvente e da ausncia de uma fora contrria a sua passagem ao estado de vapor. A adio de outras gotas do solvente aumenta a quantidade de vapor na cmara, aumentando a sua presso que exerce uma fora contrria vaporizao. A presso de vapor que impede a vaporizao de novas molculas do solvente denominada presso mxima do vapor.

A presso de vapor varia com a temperatura como pode ser observado na figura 4.2.

Se o experimento for repetido utilizando, dessa vez, uma soluo do mesmo solvente, observa-se uma diminuio da presso do vapor do solvente (figura 4.3). A reduo da presso de vapor conseqncia da diminuio da concentrao efetiva do solvente pelas molculas do soluto e, em decorrncia desse fato, menor o nmero de molculas do solvente disponveis para passar ao estado de vapor. O fator determinante do grau de reduo da presso de vapor o nmero e no a natureza das partculas dissolvidas na soluo.

A diminuio da presso de vapor da soluo dividida pela presso de vapor do solvente puro igual concentrao molal do soluto por uma constante que depende do soluto:

P P / P = M x K

Onde, P a presso de vapor do solvente puro, P a presso de vapor da soluo, M o nmero de molculas-grama do soluto por 1000g do solvente e K uma constante que depende do solvente e que equivale diminuio de presso que produz um mol do soluto.

Ebulioscopia. Para que um lquido ferve necessrio que sua presso de vapor se iguale a presso atmosfrica. Como nas solues a tenso de vapor est diminuda, exigir maior elevao de temperatura para se obter uma presso de vapor igual a presso atmosfrica. Na figura 4.4 se observa que enquanto o solvente puro ferve a uma temperatura T1, uma soluo desse mesmo solvente ferve a uma temperatura T2 maior. A diferena de temperatura te diretamente proporcional a concentrao molal e a uma constante Ke que corresponde a elevao da temperatura de ebulio que produz um mol do soluto.

te = Ke x M

O valor Ke varia com o solvente e para a gua de 0,515C. A concentrao molal de uma soluo aquosa determinada facilmente conhecendo sua elevao ebulioscpica:

M = te / 0,515

Da mesma forma, tambm possvel determinar o peso molecular M de uma substncia dissolvida, substituindo-se o valor de M por seu equivalente:

te / Ke = 1000 x m / V x M

M = Ke x 1000 x m / V x te

Crioscopia. As solues congelam a temperaturas inferiores do solvente puro. Essa diminuio crioscpica diretamente proporcional concentrao da soluo. No ponto de congelamento, as trs fases, slida, lquida e gasosa, esto em equilbrio. Os slidos, como o gelo, tem uma presso de vapor que diminui com a reduo da temperatura mais rapidamente que nos lquidos. A diminuio da presso de vapor determina uma depresso simultnea da temperatura de congelamento. O ponto de congelamento do solvente puro, na figura 4.5, dado por t0 e o da soluo por t. A diferena t t0, ou tc, a diminuio crioscpica ocorrida na soluo:

tc = M x Kc

O valor de Kc depende da natureza do solvente e para a gua vale 1,86C, ou seja, uma soluo um molar em gua congela a 1,86C.

A concentrao molal de uma soluo aquosa cuja reduo da temperatura de congelamento conhecido ser:

M = tc / 1,86

Da mesma forma, possvel se determinar o peso molecular de uma substncia dissolvida como mostrado na variao ebulioscpica, embora, para esse fim, a crioscopia se aplica mais freqentemente em Biologia que a ebulioscopia porque no destri o material biolgico utilizado.

Osmoscopia. o estudo da influncia da adio de um soluto a um solvente na osmose.Difuso. Considere os compartimentos 1 e 2 representados na figura 4.6. Ambos contm o mesmo gs a diferentes presses, sendo p1 > p2. Os compartimentos se comunicam atravs de um tubo que, inicialmente, encontra-se fechado. Aberta a comunicao, as molculas de ambos os compartimentos se deslocaro ao longo do tubo. No primeiro momento, as molculas do gs do compartimento 1, de maior presso, se movero para 2 em maior nmero que no sentido inverso (de 2 para 1).

Inicialmente:

p1 > p2 e v1( 2 > v2( 1Com a passagem de molculas do compartimento 1 para o 2, a presso p1 diminui, enquanto a presso p2 aumenta. O movimento do gs do compartimento 2 para o 1 aumenta enquanto a velocidade do 1 para o 2 diminui, at que, quando as presses se igualam, o sistema atinge o equilbrio dinmico.

No equilbrio:

p1 = p2 e v1( 2 = v2( 1Observe a figura 4.7. Um recipiente 1 se comunica atravs de um tubo de conexo com o recipiente 2, inicialmente fechada. O recipiente 1 contm uma soluo de concentrao c1 maior que a concentrao do recipiente 2 (c2). Aberta a comunicao, haver um movimento livre de molculas entre ambos os compartimentos, da soluo mais concentrada c1 para a de menor concentrao c2 com intensidade maior que do recipiente 2 para o 1.

Inicialmente:

c1 > c2 e v1( 2 > v2( 1A intensidade do movimento de molculas do recipiente 1 para o 2 tende a diminuir, enquanto aumenta a do recipiente 2 para o 1, at que as velocidades se igualam e o sistema atinge o equilbrio dinmico.

No equilbrio:

c1 = c2 e v1( 2 = v2( 1

Observa-se pelos exemplos anteriores que o movimento das molculas ocorre espontaneamente, atravs da comunicao entre os compartimentos, tendo como fora propulsora a prpria energia cintica das molculas.

Dessa forma, define-se difuso como o movimento de substncias (tomos, ons, molculas) do meio onde se encontram em maior concentrao (ou de presso) para o meio de menor concentrao (ou de presso) a fim de torn-los homogneos. Esse movimento ocorre sem gasto de energia, utilizando a energia interna do sistema.

A velocidade da difuso de uma substncia em um meio varia diretamente proporcional a diferena de concentrao ou de presso (quando tratar-se de gases) entre dois pontos considerados, da solubilidade da substncia no meio, da rea atravs da qual ocorre a difuso e da temperatura, sendo inversamente proporcional a viscosidade do meio de difuso, do peso molecular, ou da raiz quadrada do peso molecular (quando tratar-se de um gs) da substncia em difuso e da distncia a percorrer.

Osmose. Considere a figura 4.8 que representa um dispositivo utilizado para o estudo da osmose. Em um recipiente de paredes impermeveis exceo de sua parede inferior, fechada por uma membrana semipermevel, ou seja, permevel apenas ao solvente, coloca-se uma soluo de determinada concentrao. Em seguida, o dispositivo submerso em um recipiente contendo gua pura ou uma soluo de menor concentrao. Nessas condies, se observa a ascenso do lquido pelo tubo vertical determinada pelo movimento do lquido do compartimento 1 para o compartimento 2 atravs da membrana semipermevel.

Observando este experimento, define-se osmose como o movimento do solvente atravs de uma membrana semipermevel, da soluo mais diluda para a mais concentrada a fim de igualar as concentraes. O processo ocorre sem gasto de energia como conseqncia da energia cintica das molculas.

A coluna lquida ascende atravs do tubo vertical at determinada altura em conseqncia da expanso do volume do lquido no compartimento 2, o que faz aumentar progressivamente a presso hidrosttica sobre a membrana semipermevel, presso esta que se ope ao movimento do lquido do compartimento 1 para o 2. Quando as duas foras tornam-se iguais o movimento osmtico do solvente cessa. A essa presso mecnica capaz de cessar a osmose denomina-se presso osmtica. Conhecendo-se a altura alcanada pela coluna lquida, pode-se calcular a presso hidrosttica que equivale a fora osmtica.

Leis da osmose.

1. temperatura constante, a presso osmtica varia diretamente proporcional a concentrao da soluo.

2. concentrao constante, a presso osmtica varia diretamente proporcional temperatura da soluo.

P n / V x t

Ou, introduzindo-se uma constante de proporcionalidade (k) para tornar a relao acima uma igualdade.

P.V = n.k.t

Essa equao semelhante de Guy Lussac que descreve o comportamento dos gases perfeitos. Dessa forma, a constante k recebe valores iguais aos da constante universal dos gases.

Lei de Vant Hoff. Um corpo dissolvido se comporta como se estivesse em estado gasoso ocupando o mesmo volume.Avogrado. Uma soluo 1 molar contm 6,023 x 1023 molculas e exerce uma presso osmtica de 22,4 atmosferas, nas condies normais de temperatura e presso.Fator de Vant Hoff. As solues de cidos, bases e sais em meio aquoso se dissociam liberando ons e, dessa forma, aumentam o nmero da partculas dissolvidas, intensificando, em consequncia, os efeitos coligativos da disperso. Esse comportamento das solues inicas exige a introduo de um fator de correo para a frmula da presso osmtica, denominado fator de Vant Hoff, que representa o nmero de vezes que as propriedades coligativas de uma soluo inica determinada maior que o da soluo no inica de igual concentrao. O coeficiente i sempre maior que a unidade e diretamente proporcional ao nmero (n) de ons em que se dissocia cada composto e o grau de dissociao () do eletrlito:

= nmero de molculas dissociadas / nmero de molculas totais

i = 1 + (n 1)

De Vries. Quando se submete uma clula a uma soluo de diferentes concentraes, e consequentemente sua presso osmtica, em relao ao seu meio interno, observa-se movimento do lquido no sentido de equilibrar as presses entre os meios interno e externo.

O meio interno (soluo 2) em relao soluo 1 (externa) pode estar:

1. De maior concentrao (maior presso osmtica). Essa soluo hipertnica em relao ao meio externo. Observa-se o movimento do lquido da soluo 1 para o interior da clula, aumentando o seu volume. De acordo com o volume de lquido que penetra na clula, a membrana celular poder romper, liberando o contedo intracelular (figura 4.9)

.

2. De igual concentrao (mesma presso osmtica). As solues so isotnicas, e, portanto, no se observa movimento resultante de lquidos entre os dois meios, o que no altera o volume celular.

3. De menor concentrao (menor presso osmtica). A soluo 2 hipotnica em relao ao meio externo. Nesse caso, d-se o movimento do liquido do meio interno para o externo, fazendo a clula perder gua e murchar (figura 4.10).

A presso osmtica do sangue igual a P = 0,76 atmosfera, o que corresponde a uma soluo de cloreto de sdio a 0,9% ou a uma soluo de glicose a 5,4%. Essas solues so, portanto, isotnicas em relao ao sangue, sendo, por isso, consideradas fisiolgicas. Outros exemplos de solues fisiolgicas so o ringer lactato e a soluo tyrode.

Colides

A compreenso da organizao e propriedades dos colides importante em razo de os lquidos orgnicos serem de natureza coloidal. Colides so disperses cujo tamanho mdio do disperso varia entre 1 e 100 milimicra, o que confere a estas disperses caractersticas prprias.

Estrutura do colide. Um colide est organizado em uma estrutura denominada micela ou tagma. As molculas dispersas formam o ncleo da micela e so dotadas de carga eltrica todas de mesmo sinal para cada colide. Esta carga eltrica deve-se a adsoro de ons existentes no dispersante, que nos colides denominado dispergente. Em torno do ncleo da micela, por ao de foras eletrostticas, dispem-se outros ons ou as prprias molculas do dispergente, se forem polares, como a gua. O potencial gerado pela distribuio destas cargas denomina-se potencial zeta.

Em funo destas cargas, as micelas de um colide migram sob ao de um campo eltrico, em uma determinada direo movendo-se para o eletrodo de carga contrria. Assim sendo, os colides podem ser positivos ou basides, negativos ou acidides ou anfolitides dependendo do pH do meio.

.Propriedades dos colidesCapacidade de dialisar. Os colides no dializam ou o fazem com velocidades muito reduzidas.

Adsorcibilidade. Devido a grande superfcie exposta pelas micelas, os colides apresentam elevado poder adsorvente, fixando por foras fsicas, molculas menores ou ons de carga contrria, na dependncia do tipo e do valor da carga eltrica da micela.

Movimento browniano. As micelas esto em constante movimento, de modo aleatrio e desordenado. Este movimento decorre da agitao molecular do dispergente e da repulso eletrosttica entre as micelas.

Efeito Tyndall. O efeito Tyndall consistem em tornar visvel a presena das micelas pela difrao que produzem em um feixe de luz perpendicular ao raio de visada do observador. As dimenses das micelas determinam o fenmeno da difrao da luz.

Presso osmtica. A maioria dos colides, em virtude de sua baixa concentrao, no apresenta presso osmtica pelo menos mensurvel pelas tcnicas atuais. No entanto, atualmente, elevando-se a concentrao a limites especiais, consegue-se determinar a existncia de presso osmtica.

Interao entre dispergente e micelas. Quando h atrao entre seus componentes, o colide denominado lifilo ou hidrfilo (quando o dispergente a gua) e lifobo ou hidrfobo, em caso contrrio.

Floculao. Os colides, dependendo da interao entre seus componentes, podem ser estveis, apresentando vida longa, ou instveis, aqueles que se destroem rapidamente. O processo de destruio do colide chama-se floculao. O termo precipitao ou sedimentao utilizado quando o processo de destruio reversvel e coagulao, quando o fenmeno irreversvel.

Classificao dos colides. Os colides podem ser classificados em suspensides ou emulsides.

Suspensides so colides cujas micelas so constitudas por substncias inorgnicas. Estes colides apresentam baixa concentrao, sendo, como consequncia, pouco viscosos, a afinidade entre micelas e dispergente baixa (lifobos), portanto, instveis; no formam gelia; no produzem espuma; tem ao superficial baixa e produzem efeito Tyndall forte. Os suspensides so destrudos reversivelmente. A instabilidade deste colide muito dependente da carga eltrica das micelas. A adio de eletrlitos pode lev-lo a destruio irreversvel.

Emulsides so colides cujas micelas esto constitudas por substncias orgnicas. Caracterizam-se por apresentar concentrao elevada, viscosidade elevada e so capazes de formar gelia. So estveis, de destruio irreversvel, produzem espuma e apresentam efeito tyndall fraco. A afinidade micela dispergente alta (lifilo) e de elevada ao superficial. So exemplos de colides suspensides o gar, leite, gelatina e plasma.

Devido a intensa ao superficial, as micelas so capazes de se concentrar nas superfcies, criando verdadeiras membranas, denominadas haptgenas, como por exemplo ocorre no leite, sabes e tintas.

Em consequncia de sua liofilia, as micelas fixam grande quantidade de molculas do dispergente, fenmeno este denominado imbebio.

Os emulsides em funo da elevada viscosidade podem apresentar elastecidade e, em uma determinada concentrao, adquire a forma de gelia.

Os emulsides, aps a coagulao, liberam parte do dispergente, fenmeno denominado sinrese. Este fenmeno ocorre no leite e no sangue, aglutinando a parte slida e liberando o soro.

As gelias quando so submetidas a presso tornam-se fluidas, fenmeno denominado tixotropia. Esta propriedade explica a migrao de partculas atravs de gelias, assim como o deslocamento de organelas citoplasmticas no gel intracelular.

A grande estabilidade dos emulsides pode ser quebrada com a adio de grandes quantidades de eletrlitos, no entanto, este fenmeno independe da carga e da valncia do on.

De acordo com a consistncia, o colide pode ser mais fluido, em forma sol, ou de maior consistncia como consequncia da perda de grande parte do despergente. O protoplasma celular um colide que apresenta as duas consistncias, sendo a sua poro mais externa, prximo da membrana celular, est na forma sol e, mais internamente e ocupando maior parte de sua extenso, em forma gel.

EXERCCIOS DE FIXAO

1. O soro caseiro recomendado para a reidratao oral em crianas desidratadas consiste de uma soluo de NaCl (3,5 g/l) e de sacarose (11 g/l). Calcule a sua concentrao em mol/l de cloreto de sdio e de sacarose. Dados: massa molar do NaCl (58,5 g/mol) e da sacarose (C12H22O11 342 g/mol).

mNaCl = 3,5 g/l

mSacarose = 11 g/l Mol/litro = m / massa molar x V

Para o NaCl:

Mol/litro = 3,5 g / 58,5 g/mol x 1 l = 0,06 mol/litro

Para a sacarose: Mol/litro = 11 g / 342 g/mol x 1 l = 0,03 mol/litro

2. Calcule a concentrao em mol/litro de 1.000 ml de uma soluo de glicose a 5,4%. Dado: massa molar da glicose (C6H12O6) = 180 g/mol.

Se 100 ml da soluo contm 5,4 g de glicose, 1.000 ml contm 54 g do soluto.

Concentrao em mol/litro:Mol/litro = m / massa molar x V

Mol/litro = 54 / 180 x 1 = 0,3 mol/litro

3. Em condies normais, o soro sangneo humano contm 0,2 g/litro de K+, 3,26 g/litro de Na+ e 0,1 g/litro de Ca2+. Calcule em mEq/litro as quantidades correspondentes de cada um dos ons. Dados: Pesos atmicos (Na+ = 23, K+ = 39, Ca2+ = 40).

NEq-g = m / Eq-g

(Eq-g = Peso atmico / nox do elemento

Para o K+: NEq-g = m / Eq-g

(Eq-g = 39 / 1 = 39 g

NEq-g = 0,2 / 39 g= 0,005 Eq-g ou 5 miliEq-g

Para o Na+: NEq-g = m / Eq-g

(Eq-g = 23 / 1 = 23 g

NEq-g = 3,26 / 23 g= 0,142 Eq-g ou 142 miliEq-g

Para o Ca2+: NEq-g = m / Eq-g

(Eq-g = 40 / 2 = 20 g

NEq-g = 0,1 / 20 g= 0,005 Eq-g ou 5 miliEq-g

4. Quantos miliEq-g de Na+ e de Cl- esto contidos em 500 ml de uma soluo de NaCl a 0,9% (soro fisiolgico)( Dados: massa molar do NaCl = 58,5 g / mol.

Concentrao = 0,9%

(100 ml ( 0,9 g de NaCl

500 ml ( x g de NaCl

x = 4,5 g de NaCl

NEq-g = m / Eq-g

(Eq-g = Peso atmico / nox do Na+ ou Cl-Para o Na+: NEq-g = 4,5 / Eq-g(Eq-g = 58,5 / 1 = 58,5 g

NEq-g = 4,5 / 58,5 g = 0,08 Eq-g

Como,

1 Eq-g

( 1.000 miliEq-g

0,08 Eq-g( x

(x = 0,08 x 1.000 = 80 miliEq-g de Na+Repetindo para o Cl- = 80 miliEq-g.

Captulo 5

CIDOS, BASES, SAIS. pH DE SOLUES

cidos e bases. De acordo com a definio clssica, os cidos so espcies qumicas que, em soluo aquosa, se dissociam liberando ons hidrognio (H+), como, por exemplo, os cidos clordrico (HCl) e o sulfrico (H2SO4).

HCl ( Cl- ( H(H2SO4 ( 2 H( ( SO42-

Bases so espcies qumicas que em soluo aquosa dissociam-se liberando ons hidroxila (OH-). So exemplos os hidrxidos de sdio (NaOH) e de clcio (Ca(OH)2).

NaOH ( Na ( OH-Ca(OH)2 ( Ca ( 2OH-

Atualmente, no se aceita a existncia de on hidrognio (H() em forma estvel em soluo. O on H( um prton que por suas dimenses reduzidas e carga eltrica positiva exerce uma grande atrao eletrosttica e se une a outras molculas e ons de carga contrria. Em consequncia, quando um cido cede prtons ao dissociar-se em soluo aquosa, eles se unem molculas de gua, cujo tomo de oxignio eletronegativo. Por isso, a representao correta das reaes de dissociao dos cidos, exemplificadas acima :

HCl ( H2O ( Cl- ( H3O(H2SO4 ( H2O ( SO42- ( H3O(O on formado pela unio do prton e da gua denomina-se on hidrnio (H3O().

Conceito de Brnsted. De acordo com o conceito de Brnsted, um cido toda espcie qumica capaz de doar prtons (H() a outra espcie qumica e base a espcie qumica que pode receber prtons de outra. Dito assim, a dissociao de um cido consiste na transferncia de um prton (conceito de cido pela definio clssica e por Brnsted) para outra substncia, como a gua, que se comporta como receptor (base).

Observe a reao de dissociao do NaOH:

NaOH ( Na ( OH-

Nessa dissociao, nenhum prton H+ doado nem recebido por espcies qumicas, portanto, o NaOH no um cido, nem uma base.

Por outro lado, observe a seguinte reao de neutralizao do HCl pelo NaOH que resulta na formao do cloreto de sdio (NaCl):

HCl ( H2O ( Cl- ( H3O(NaOH ( Na ( OH-Cl- ( H3O+ ( Na + OH- ( NaCl ( 2H2O

Observe que o on hidrnio doa um prton para a hidroxila para formar uma molcula de gua, exibindo comportamento cido. A hidroxila , por isso, uma base, enquanto o on Na+ no recebe nem doa prto