biofísica médica - resumão

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE MEDICINA BIOFÍSICA MÉDICA 1º PERÍODO DAVIDSON AUGUSTO DE ARAÚJO MED 101 JUIZ DE FORA 2012

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Biofisica Medica Resumo UFJF

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Page 1: Biofísica Médica - Resumão

UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE MEDICINA

BIOFÍSICA MÉDICA

1º PERÍODO

DAVIDSON AUGUSTO DE ARAÚJO MED 101

JUIZ DE FORA 2012

Page 2: Biofísica Médica - Resumão

BIOELETRECIDADE

I. INTRODUÇÃO

Todas as células são verdadeiras pilhas elétricas. São pilhas elétricas porque

existe uma diferença de potencial elétrico (DDP) entre o meio intra e extracelular, a

qual pode ser modulada pelo estabelecimento de correntes elétricas através da

membrana celular.

Corrente elétrica é fluxo ou movimento de elétrons de um ponto com excesso

dessas partículas para outro ponto com falta dessas partículas. Esse movimento

ocorre através de um meio metálico ou através de estruturas químicas chamadas íons.

Convencionou-se chamar o ponto com excesso de elétrons de polo negativo, e o

ponto com falta de elétrons de polo positivo. São características importantes de uma

corrente elétrica:

A corrente elétrica sempre ocorre na menor distância possível entre os polos

positivo e negativo.

A medida da corrente está relacionada à quantidade de elétrons que flui por um

determinado ponto ao mesmo tempo.

A potência de um circuito é proporcional à corrente elétrica e à diferença de

potencial elétrico entre os polos da pilha ou gerador.

Para haver uma pilha é importante que existam dois pontos em um sistema com

elétrons armazenados. E entre esses dois pontos deve haver uma diferença na

concentração de elétrons. Como há uma diferença na concentração de elétrons entre

esses dois pontos, potencialmente há uma tendência de os elétrons passarem do local

de maior concentração até o local de menor concentração.

Quanto maior a diferença de concentração de elétrons entre os polos positivo e

negativo, maior a força com que esses elétrons serão movidos de um polo a outro

através da corrente elétrica. Por isso, quanto maior a diferença, maior a velocidade de

trânsito desses elétrons entre os polos.

Voltagem ou diferença de potencial elétrico (DDP) é a medida da diferença

da concentração de elétrons entre os dois polos de uma pilha, gerador ou capacitor, a

Page 3: Biofísica Médica - Resumão

qual determina a força ou a velocidade com a qual esses elétrons potencialmente irão

trafegar entre os dois polos.

Gerador: É um dispositivo que produz uma diferença de potencial elétrico

entre seus dois polos através de energia mecânica ou energia luminosa.

Capacitor: É um dispositivo composto por placas condutoras separadas por

material isolante (dielétrico), capazes de armazenar carga e energia elétrica,

que funciona como uma pilha de descarga imediata.

Força elétrica: Forças de atração ou repulsão entre cargas.

Entre os polos de uma pilha existe essa força, determinada pela energia

potencial elétrica. Quanto maior a diferença da quantidade de elétrons entre os polos,

maior é a força elétrica entre eles.

NA CÉLULA:

Existe uma diferença na concentração de elétrons entre os dois meios da

célula, a saber, o meio interior e o meio exterior. Esses meios são separados

por uma lâmina isolante, a membrana celular.

Um dos meios é o polo negativo (o meio interno) e o outro é o polo positivo (o

meio externo).

Entre os polos elétricos da célula há uma DDP.

Uma corrente elétrica entre os meios interno e externo pode ocorrer se houver

condições para tal. Existe, assim, uma força elétrica entre os meios interno e

externo da célula.

Quando ocorre uma corrente elétrica, a DDP entre os polos vai se alterando. E,

também, ocorre uma modificação no valor da força elétrica entre os meios intra

e extracelular.

II. A PILHA CELULAR

Chamamos de despolarização da célula quando a DDP entre os polos da célula

diminui. Isso acontece porque há uma corrente elétrica transferindo cargas elétricas

entre os meios da célula. Nas células, as correntes elétricas se estabelecem através

de outro tipo de condutor: soluções iônicas.

Page 4: Biofísica Médica - Resumão

Quando ocorre uma corrente elétrica entre os meios intra e extracelular, pode

haver passagem tanto de ânions do polo negativo para o polo positivo quanto de

cátions do polo positivo para o negativo. Em ambas as situações, ocorre redução da

DDP entre os meios, o que chamamos despolarização (perda dos polos).

As correntes elétricas que acontecem em uma célula também são chamadas de

correntes iônicas. Essas correntes acontecem através de canais proteicos da

membrana celular. Quando esses canais se abrem sob condições específicas, ocorre

passagem de um determinado íon através da membrana. Essa corrente iônica

promove a alteração da DDP entre os meios intra e extracelular.

O fenômeno de correntes elétricas contra a diferença de potencial (ou seja, que

promovem aumento da diferença de concentração de cargas elétricas entre os dois

meios) promove aumento da força elétrica entre os meios intra e extracelular, e é

chamado hiperpolarização (aumento da força dos polos da célula).

A chamada hiperpolarização ocorre porque não é somente a força elétrica que

atua entre os dois meios da célula. Há uma outra força que promove movimento de

partículas de soluto (mesmo que sejam íons) dentro do meio aquoso: a força de

difusão.

A força de difusão (ou força de gradiente de concentração) promove a difusão

de substâncias em uma solução, pois essa força aponta do ponto em que há maior

concentração de soluto para o(s) ponto(s) em que há menor concentração de soluto.

Quando não ocorre alteração significativa da DDP da célula, seja porque forças

estão em equilíbrio para determinados íons, seja porque não há condições para o

estabelecimento de correntes para outros íons (canais fechados), dizemos que essa

célula está em repouso, e eis o potencial elétrico de repouso da membrana celular.

1. O POTENCIAL DE REPOUSO DA CÉLULA

O valor do potencial de repouso varia de célula para célula (entre -50mV e -

90mV).

Page 5: Biofísica Médica - Resumão

Todas as células do corpo mantêm uma DDP de repouso em relação ao meio

que as circunda.

O motivo da existência dessa DDP nas células é que a DDP possibilita que haja

fluxo de corrente elétrica entre as células.

Inicialmente é preciso compreender que o interior da célula não está em

equilíbrio como o meio extracelular, pois se assim fosse, não seria possível a

existência dos potenciais de membrana. Quando dizemos que a célula não está em

equilíbrio com o meio extracelular, queremos dizer que existem íons que são

predominantemente extracelulares, enquanto outros são predominantemente

intracelulares.

Mas quem é o responsável por essas diferenças de concentração? São

proteínas que, ativamente, contra o gradiente de concentração, expulsam íons do

interior das células e puxam outros íons para seu interior. Como esse processo

envolve gasto energético (para vencer os gradientes de concentração), essas

proteínas são conhecidas como bombas. O combustível para essas bombas é o ATP.

Uma das causas da negatividade interna da célula em repouso é a presença, em

seu interior, de ânions impermeáveis à membrana celular: em primeiro lugar as

proteínas, e, em segundo lugar, os fosfatos (que compõem as moléculas de ATP,

DNA, RNA e diversas proteínas).

Page 6: Biofísica Médica - Resumão

Porém, o fator causal mais importante para a gênese do potencial de repouso é

o seguinte: o interior da célula está repleto de potássio, que é um íon positivo

bombeado ativamente para o meio intracelular. Há cerca de 30 vezes mais potássio

dentro da célula do que no meio exterior. A bomba puxa dois íons para dentro da

célula, ao mesmo tempo que expulsa três íons para fora. Se a célula não tivesse

potássio em seu interior, a DDP da célula seria bem mais negativa: cerca de -200 a -

250mV. O potássio presente no interior da célula, por ser uma carga positiva, diminui a

DDP intracelular para valores próximos a -70mv.

Pelo visto, se levarmos em conta a força de difusão, existe uma tendência de o

sódio entrar e de o potássio sair. Acontece que a membrana em repouso é 100 vezes

mais permeável ao potássio do que ao sódio. Com isso, começa a sair potássio

através da força de difusão, e pelo fato de existirem canais de potássio abertos.

Entretanto, assim que o potássio começa a sair, o sódio que está fora da célula

começa a exercer uma força elétrica de repulsão; além disso, as proteínas

intracelulares também exercem uma força elétrica de atração pelo potássio. Quando

essas forças elétricas se equilibram com a força de difusão, o potássio pára de sair e

tampouco volta para o meio intracelular. Dizemos então que a membrana está em

repouso.

Mas a pequena quantidade de potássio que sai já é suficiente para deixar a

superfície interna da membrana mais negativa que a superfície externa.

EQUILÍBRIO ELETROQUÍMICO E EQUAÇÃO DE NERNST:

Quando não há força resultante sobre o íon (as forças do gradiente de

concentração e elétrico são iguais e opostas), nenhum movimento do íon ocorre, e diz-

se que o íon está em equilíbrio eletroquímico através da membrana.

A equação de Nernst determina o valor potencial de equilíbrio ( ) de um íon

qualquer para o qual a membrana é permeável.

=

ln

Onde,

Page 7: Biofísica Médica - Resumão

: Potencial de equilíbrio.

R : Constante dos gases.

T : Temperatura em K.

z : Valência do íon.

F : Constante de Faraday.

: Concentração interna do íon.

: Concentração externa do íon.

Esse seria o potencial de repouso da membrana caso ela fosse permeável

apenas ao íon considerado.

POTENCIAL DE EQUILÍBRIO:

A tendência natural de qualquer íon que possa se mover através da membrana é

a de procurar o equilíbrio (até que sua diferença de potencial de equilíbrio seja

estabelecida).

Quanto maior a permeabilidade da membrana ao íon, maior é sua habilidade de

forçar a diferença de potencial elétrico da membrana em direção ao seu potencial de

equilíbrio.

Durante o repouso a membrana é muito mais permeável ao que ao ; por

isso, o potencial de repouso da célula está muito mais próximo do potencial de

equilíbrio do .

O interior da célula tem baixa concentração de sódio, cálcio e cloreto; esses íons

não conseguem entrar na célula em repouso pois os canais de membrana estão

fechados. Será que esses íons são importantes para gerar o potencial de repouso da

membrana?

EQUACÃO DE CONDUTÂNCIA DE CORDA:

Especifica que o potencial da membrana ( ) é uma média ponderada dos

potenciais de equilíbrio de todos os íons para os quais a membrana é permeável ( ,

, ).

Page 8: Biofísica Médica - Resumão

Quanto mais permeável a membrana é a um íon particular, maior é a

condutância da membrana para aquele íon.

A equação de condutância de cordas mostra que quanto maior a condutância da

membrana a um dado íon, maior é a influência daquele íon no sentido de trazer o

potencial da membrana próximo ao valor do seu potencial de equilíbrio.

2. A MEMBRANA COMO UM CAPACITOR

Como a membrana da célula é muito fina, as cargas negativas de dentro da

célula tendem a se parear como as positivas de fora por interação de campos

elétricos, sem, no entanto, estarem diretamente em contato. A membrana, composta

por lipídeos, é um dielétrico, um isolante. Logo, o sistema funciona como um capacitor.

Essa organização das cargas é fundamental para a boa condutividade elétrica

dos meios intra e extracelular e para o estabelecimento de correntes elétricas

longitudinais à membrana.

Grandes alterações no potencial da membrana são causadas por alterações

minúsculas nas concentrações iônicas.

3. OS VAZAMENTOS E AS BOMBAS DE SÓDIO E POTÁSSIO

De fato, se a célula como um todo é uma pilha elétrica, as bombas de sódio e

potássio são um gerador elétrico. As bombas de Na/K-ATPase são proteínas da

membrana celular que, na presença da energia liberada pela quebra de ATP,

literalmente bombeiam 3 íons para fora da célula e 2 íons para dentro contra o

gradiente de concentração.

As bombas de sódio e potássio funcionam em duas situações:

Page 9: Biofísica Médica - Resumão

Para restauração das concentrações originais quando ocorrem entrada de

sódio e saída de potássio por processos fisiológicos da célula.

Para restauração das concentrações originais quando ocorrem vazamentos de

sódio para dentro da célula e de potássio para fora.

III. QUANDO A CÉLULA SAI DO POTENCIAL DE REPOUSO ELÉTRICO

1. O QUE ACONTECE COM O POTENCIAL ELÉTRICO DA CÉLULA?

a) A DDP pode simplesmente não sofrer alterações – Se a entrada de sódio

ou cálcio for lenta o suficiente, ocorrerá saída de potássio pelos canais de

vazamento na mesma proporção que entra o outro cátion, e o potencial não se

altera. O potássio sai porque na medida em que entra sódio na célula, que é

um cátion, a força elétrica que segura o potássio diminui. Então, à custa da

força de difusão, o potássio começa a sair da célula, buscando um novo ponto

de equilíbrio. Essa saída leva a força elétrica a retornar aos valores anteriores.

Assim a DDP não vai se alterar.

b) A DDP provavelmente vai diminuir (despolarização) – Se a entrada de

sódio ou cálcio for rápida (o mais provável), ocorrerá maior influxo de cátions

do que efluxo de potássio pelos canais de vazamento e a DDP vai aproximar-

se do zero. Dependendo da velocidade desse influxo de cargas positivas, a

DDP pode vir a se tornar positiva (o que acontece no potencial de ação), pois a

força de difusão para o sódio é maior que a força elétrica. Todavia, nesses

casos é comum acontecer a abertura de canais de potássio com portão,

acelerando o fluxo desse íon, o que promove rapidamente a recuperação da

polaridade negativa da membrana celular.

Obs: A passagem de íons está condicionada à abertura de canais de

membrana que, no repouso, estão fechados. Os canais com portão se fecham

antes de a célula atingir valores de voltagem tão discrepantes.

Page 10: Biofísica Médica - Resumão

2. A CONTABILIDADE DE ÍONS DO SISTEMA

As grandes oscilações da DDP da membrana mobilizam quantidades quase

insignificantes de íons. Isso é importante para a dinâmica de células como músculos e

neurônios, que podem se despolarizar e repolarizar a frequências altíssimas. Se as

concentrações iônicas se alterassem muito em cada um desses processos,

deduziríamos que a célula, após poucos eventos de despolarização, estaria

impossibilitada de novos eventos.

IV. O POTENCIAL DE AÇÃO

Sinal elétrico auto-regenerável continuamente recriado. O potencial de ação é

um processo de amplitude fixa e invariável. O potencial de ação surge quando, através

de um estímulo, ocorre um súbito aumento da permeabilidade da membrana ao sódio.

As proteínas dos canais para íons dependentes de voltagem e de ligante são as

responsáveis pelos potenciais de ação.

MECANISMOS IÔNICOS DOS POTENCIAIS DE AÇÃO:

O entra indefinidamente na célula quando a condutância a esse íon

aumenta? Não! Os canais de possuem um mecanismo automático de inativação.

Page 11: Biofísica Médica - Resumão

A membrana também é auxiliada a voltar ao seu valor de repouso pela abertura dos

canais de controlados por voltagem.

POTENCIAL DE AÇÃO NO MÚSCULO ESQUELÉTICO:

POTENCIAL DE AÇÃO NO MÚSCULO CARDÍACO:

V. A BATERIA TECIDUAL

Em um circuito de células em que elas se despolarizam simultaneamente ou

sequencialmente, todo o tecido que compõe essas células vai se comportar como uma

Page 12: Biofísica Médica - Resumão

grande bateria cujo polo negativo é a extremidade do tecido que fica mais rica em

elétrons e o polo positivo é a extremidade do tecido que fica mais pobre em elétrons, o

que é determinado pelo sentido da corrente de despolarização das células.

QUESTÕES

1. O que é o potencial de repouso da membrana plasmática?

2. Quais os fatores responsáveis pela formação do potencial de repouso das

células? Explique.

3. O que é o potencial de equilíbrio de um íon? Explique.

4. Qual a importância do potencial de ação? Todas as células sofrem potencial de

ação? Durante o potencial de ação, a membrana aumenta a permeabilidade a

qual íon?

Page 13: Biofísica Médica - Resumão

DINÂMICA DOS FLUIDOS

I. O SISTEMA DOS FLUIDOS

O fluido e seu continente (recipiente) formam um sistema.

Circuito é a parte continente de sistemas de fluidos em dinâmica.

Sempre que um fluido está em movimento em função de um continente, dá-se a

esse continente o nome de circuito.

Circuito fechado: O fluido contido nesse circuito circula sem contato direto

com outros sistemas.

Circuito aberto: O fluido contido nesse circuito estabelece contato direto com

outros sistemas, ou seja, mesmo que temporariamente, o fluido deixa o

circuito.

II. APLICANDO O CONCEITO DE PRESSÃO

Só ocorrerá aceleração de um fluido se houver diferença de pressão entre dois

pontos do circuito.

Após ter sua inércia rompida pela diferença de pressão, o movimento do fluido

em velocidade constante é mantido pela própria inércia.

Devido à existência de uma força de resistência inerente ao deslocamento do

fluido ao longo do circuito, essa força de resistência deve ser vencida por uma força

motriz para que o líquido se mantenha em inércia.

Por exemplo, no sistema circulatório humano, em que, em condições normais, o

sangue flui a uma velocidade mais ou menos constante, o coração é um motor, que

nada mais faz do que vencer a resistência do sistema para que o sangue se mantenha

em movimento inercial. Obviamente, devido à demanda (exercício físico, por exemplo),

o coração bate mais depressa e com mais força, gerando maior gradiente (diferença)

Page 14: Biofísica Médica - Resumão

de pressão, o qual acelera o sangue e aumenta o fluxo no sistema para suprir as

necessidades metabólicas do organismo.

A aceleração de um fluido ocorre do ponto do circuito de maior pressão para o

ponto de menor pressão do circuito.

Pressão positiva: Quando aumentamos a pressão de um continente, dizemos

que foi gerada uma pressão positiva, ou seja, uma pressão que expulsa o

fluido de seu interior.

Pressão negativa: Quando diminuímos a pressão de um continente, dizemos

que foi gerada uma pressão negativa, ou seja, uma pressão de sucção, que

aspira um fluido para seu interior.

De acordo com a Lei de Boyle, quando aumentamos o volume do continente, a

pressão em seu interior diminui, e, paralelamente, quando diminuímos o volume do

continente, a pressão em seu interior aumenta. Logo, quando quisermos gerar uma

pressão positiva, devemos diminuir o volume do continente. Para gerar uma pressão

negativa, devemos aumentar o volume do continente.

SISTEMA CIRCULATÓRIO:

O coração realiza dois movimentos básicos – sístole e diástole. Durante a sístole

(contração), a cavidade dos ventrículos diminui e, consequentemente, a pressão

interior aumenta. Dessa maneira o coração ejeta o sangue para os vasos. Já na

diástole (relaxamento), os átrios aumentam sua cavidade e consequentemente a

pressão interior diminui (gera-se uma pressão negativa), e assim o coração aspira o

sangue de volta para si.

É interessante observar que nosso sistema circulatório é fechado, ou seja, forma

um circuito de vasos comunicantes, de modo tal que o mesmo volume que é ejetado

pelo coração será posteriormente aspirado por ele, após percorrer os vasos

sanguíneos.

Page 15: Biofísica Médica - Resumão

SISTEMA LINFÁTICO:

Os capilares linfáticos são vasos em fundo cego que existem no interstício dos

tecidos e cuja função é aspirar o excesso de líquidos e proteínas dos tecidos,

desembocando finalmente no sistema venoso para devolver à circulação o líquido

recolhido (linfa) ao longo dos tecidos. Os capilares linfáticos apresentam grande

capacidade de se dilatar ativamente; ao se dilatar, o capilar aumenta seu volume, e,

portanto, sua pressão diminui. Assim, o capilar linfático gera uma pressão negativa

que aspira os líquidos em excesso do interstício. Para que os líquidos do interstício

sejam aspirados pelo capilar, este é dotado de grandes poros, porém esses poros

apresentam válvulas que só permitem a entrada do líquido. O objetivo dessas válvulas

é o seguinte: após dilatar (aumentar o raio) e aspirar os líquidos, a tensão na parede

do capilar aumenta (lei de Laplace), gerando uma força elástica contrária que faz o

capilar se contrair, bombeando a linfa adiante; ora, se as válvulas não existissem,

nesse momento a linfa retornaria aos tecidos através dos poros. Dessa forma, ao se

dilatar e contrair, os capilares linfáticos vão drenando os líquidos dos tecidos e

bombeando esses líquidos para frente, até desembocar no sistema venoso.

III. FLUXO

Fluxo é sinônimo de vazão ou caudal.

Fluxo é volume por unidade de tempo.

No circuito fechado, os vasos saem de uma bomba e retorna à mesma bomba,

logo não existe nenhuma alteração de volume do fluido – o volume que entra na

bomba é o mesmo que sai dela em um dado intervalo de tempo.

O nosso sistema circulatório é um circuito fechado estruturado na sequencia:

coração – vasos arteriais – rede capilar – vasos venosos – coração.

É sabido que o fluxo do coração (que recebe o nome de débito cardíaco) é de,

aproximadamente, 5 litros por minuto. Ou seja, se a cada minuto o coração ejeta 5

litros nos vasos, e como o sistema circulatório é um sistema fechado (formado por um

conjunto de vasos comunicantes unidos por uma bomba), a cada minuto retornam os

mesmos 5 litros ao coração.

Page 16: Biofísica Médica - Resumão

Isso significa que, num circuito fechado, como o fluxo é constante em todos os

pontos, pois num dado tempo t a quantidade de fluido (sangue) que passa é sempre a

mesma, para saírem 5 litros do coração é preciso que entrem 5 litros no coração.

Em um circuito fechado, o fluxo é constante em todos os pontos.

O fluxo é diretamente proporcional à área de secção transversa e à velocidade

do fluido.

Fluxo é o produto da velocidade pela área de secção transversa.

Q = V . A

Onde,

Q : Fluxo.

V : Velocidade.

A : Área.

IV. VELOCIDADE DOS FLUIDOS

Imagine dois vasos de calibres diferentes, pertencentes a um circuito hidráulico

fechado.

Bem, como os vãos pertencem a um circuito fechado, logo o fluxo é o mesmo

nos pontos A e B.

Mas se o fluxo é igual, logo o produto da área de secção transversa pela

velocidade é o mesmo nos pontos A e B. Porém, como região A tem menor calibre,

Page 17: Biofísica Médica - Resumão

logo a velocidade do fluido terá de ser maior para satisfazer a igualdade de fluxo nos

dois pontos.

Em um circuito fechado, quanto maior o calibre do vaso, menor a velocidade do

fluido nele contido. Quanto menor o calibre do vaso, maior a velocidade do fluido nele

contido.

Existe total concordância entre o comportamento da velocidade em um sistema

hidráulico e o comportamento da velocidade no sistema circulatório.

Os vasos capilares recebem esse nome porque apresentam a espessura de um

fio de cabelo, porém a rede capilar apresenta milhões de vasos capilares dispostos em

paralelo, de forma que a área de secção transversa total da rede capilar é centenas de

vezes maior que a área de secção transversa da arteríola que origina a rede.

Uma vez que cada órgão tem sua rede capilar, e sendo justamente na rede

capilar que ocorrem as trocas de nutrientes entre o sangue e os tecidos, o ideal é que

o sangue flua muito lentamente, a fim de haver tempo suficiente para que as trocas

ocorram.

V. PRESSÃO DOS FLUIDOS

Page 18: Biofísica Médica - Resumão

Podemos observar que a velocidade diminui do ponto de menor calibre para o

ponto de maior calibre; então, o fluido desacelerou do ponto A para o ponto B, e assim

o sentido do vetor aceleração é do ponto B para o ponto A. O que determina o sentido

da aceleração (rompimento de inércia) de um fluido é a diferença de pressão. Logo,

concluímos que, como o fluido diminui sua aceleração do ponto A para o ponto B, a

pressão no ponto B deverá ser maior que no ponto A.

Se no caso do fluido que se desloca de A para B a pressão “resultante” está de

B para A, o que então mantém o sentido do fluido? O que mantém o movimento com

velocidade constante é a própria inércia, ou seja, o vetor velocidade. Assim, o fluido

escoa em velocidade constante unicamente por inércia. Agora, se quisermos alterar a

inércia do fluido, acelerando-o ou desacelerando-o, aí sim, uma pressão “resultante”

será necessária.

Se um fluido escoa de A para B com velocidade constante, nenhuma pressão é

necessária, pois ele escoa por inércia.

Se um fluido acelera de A para B, a pressão em A é maior que a pressão em B.

Se um fluido desacelera de A para B, a pressão em B é maior que a pressão

em A.

Outra forma de explicar por que a pressão é maior no ponto B é pela

conservação da energia mecânica. A energia mecânica ( ) é composta pela energia

potencial e pela energia cinética:

= +

Dizemos que um corpo tem energia potencial ( ) quando, em virtude de sua

posição, ele tem possibilidade de entrar em movimento (como, por exemplo, um fluido

sob pressão dentro de um continente). A energia potencial é uma forma de energia

latente, ou seja, uma energia armazenada e pronta para produzir um movimento.

Já a energia cinética ( ) é a energia que o corpo possui em virtude de seu

próprio movimento. Então quanto maior a velocidade, maior a energia cinética.

Page 19: Biofísica Médica - Resumão

Como a pressão é o agente que rompe a inércia, ela representa a energia

potencial ( ) de um fluido, enquanto a energia cinética ( ) é representada pela

velocidade. Bem, pela primeira lei da termodinâmica, sabemos que a energia

mecânica ( ) se conserva em sistemas não-dissipativos. Ora, se a velocidade

diminui do ponto A para o ponto B, houve diminuição da . Dessa forma, para a

energia mecânica se conservar, é obrigatório que a (representada pela pressão)

aumente no ponto B.

Quanto maior o calibre do continente, maior a pressão exercida pelo seu

conteúdo.

Não existe no organismo um vaso único, cujo calibre aumente ao longo do

percurso, como o vaso da figura anterior. Então, no organismo, o princípio da

desaceleração não se aplicará tal qual no vaso utópico em questão.

Em relação ao sistema circulatório humano, podemos dizer que:

O coração (bomba), que acumula energia potencial hidráulica (pressão),

alimenta o sistema circulatório fechado.

O coração oferece à circulação um determinado volume de sangue por unidade

de tempo (fluxo).

O fluxo é o mesmo em vasos associados em série.

O fluxo se divide entre os vasos em paralelo.

A pressão total é a soma da pressão dos vasos em série.

A pressão é a mesma em cada vaso associado em paralelo.

Desde a aorta até os capilares, os vasos estão em série. Como a pressão

nesses vasos em série vai se somando, concluímos que a soma da pressão nesses

vasos vai nos fornecer como resultado a diferença de pressão entre a raiz da aorta e a

extremidade das arteríolas (aorta, artérias e arteríolas estão em série).

Como os capilares estão em paralelo, a pressão que atua na rede capilar é a

mesma pressão que atua em um único capilar.

Se a pressão no sistema circulatório se comportar como a pressão no circuito

hidráulico descrito anteriormente, seria de se esperar que a pressão na rede capilar

fosse bem mais elevada que a pressão na arteríola – afinal, em um circuito hidráulico

Page 20: Biofísica Médica - Resumão

fechado a pressão é maior onde a área de secção transversa é maior. Entretanto, a

pressão na rede capilar é MENOR que a pressão na arteríola que a origina.

Conclui-se que o sistema arterial NÃO obedece aos princípios que se aplicam

aos sistemas hidráulicos simples, no que se refere à pressão.

Uma das diferenças fundamentais que existe no sistema arterial em relação a

um sistema hidráulico simples, é que, na extremidade final da maioria das arteríolas,

existem os esfíncteres pré-capilares. Essas estruturas são formadas por musculatura

lisa e produzem um estreitamento importante na extremidade arteriolar, fazendo com

que o volume de sangue que chega aos capilares flua lentamente e de forma contínua.

Dessa maneira, a pressão no capilar fica pequena.

Page 21: Biofísica Médica - Resumão

Os capilares apresentam uma parede tão fina, que mesmo uma pressão

pequena poderia causar sua ruptura. Isso não acontece graças ao fato de os capilares

apresentarem um raio muito pequeno, o que faz com que a tensão na parede capilar

seja mínima (lei de Laplace).

Além disso, como a pressão em cada capilar é baixa, somente muito pouco do

plasma vaza através dos poros capilares para os tecidos, embora os nutrientes

possam se difundir facilmente para as células que circundam os capilares. De fato,

quase não ocorre troca de plasma entre capilares e tecidos, o que é trocado entre eles

são os nutrientes.

Para que um capilar cumpra corretamente o seu papel, o importante é que a

pressão capilar e a velocidade de escoamento do sangue sejam baixas.

VI. FLUXO LAMINAR

As regiões centrais do fluido se deslocam com uma velocidade maior e as linhas

de deslocamento representadas pelo vetor velocidade formam linhas paralelas. Assim,

é como o fluxo se deslocasse em lâminas, que na verdade se comportam como

cilindros concêntricos.

A lâmina (cilindro) mais externa apresenta contato com a parede do vaso que é

um sistema sólido, havendo então certo grau de atrito. À medida que as lâminas de

fluxo se afastam das paredes do vaso, seu contato também diminui, logo sua

aceleração aumenta, e, portanto, elas se movem com maior velocidade.

Caso o vaso apresente algum estreitamento, dilatação ou obstrução, haverá

choque entre as lâminas, e então dizemos que houve turbilhonamento (fluxo

turbilhonado).

Page 22: Biofísica Médica - Resumão

VII. RESISTÊNCIA AO FLUXO

Para o líquido se manter em fluxo constante (inercial) a resistência a esse fluxo

deve ser vencida por uma força motriz.

O fluxo é dado pela razão diferença de pressão/resistência.

Podemos verificar que o fluxo depende diretamente da diferença (gradiente) de

pressão entre o início e o fim do trajeto, e, também, é claro, que o fluxo é

inversamente proporcional à resistência imposta à sua passagem.

F =

Onde,

F : Fluxo.

ΔP : Diferença de pressão.

R: Resistência

A existência da resistência pode ser evidenciada pelo seguinte argumento: em

um circuito fechado a velocidade de um fluido varia em função da área de secção

transversa de um vaso. Pois bem, em um vaso onde o calibre não se altera, podemos

concluir que a velocidade do fluido nesse vaso é constante (isto é, o fluido se

movimenta por inércia). Ora, se ele se move por inércia (velocidade constante), por

que é necessária a existência de uma diferença de pressão para manter o fluxo?

Acontece que, em regiões do vaso em que o calibre é constante, a pressão resultante

serve tão somente para anular a força de resistência. Como a resultante das forças

será nula, a velocidade será constante. Com esse raciocínio fica demonstrado que

existe uma resistência ao escoamento do fluido em um vaso (continente).

1. FATORES RESPONSÁVEIS PELA RESISTÊNCIA

O raio do vaso: Quanto maior o raio do vaso, menor será a resistência e maior

será o fluxo. Quanto menor o raio do vaso, maior será a resistência e menor

será o fluxo.

O fluxo em um vaso é diretamente proporcional à quarta potência de seu raio.

Page 23: Biofísica Médica - Resumão

A importância desse princípio é muito grande, pois ele mostra que mínimas

alterações no calibre de um vaso geram grandes alterações no fluxo de seu conteúdo.

Viscosidade: Quanto mais viscoso um fluido, maior o atrito entre as lâminas

(cilindros) do fluido.

O fluxo em um vaso é inversamente proporcional à viscosidade de seu conteúdo.

Comprimento: Quanto maior a extensão do vaso, maior será a superfície de

atrito entre a lâmina externa do fluido e a parede do vaso.

O fluxo em um vaso é inversamente proporcional ao seu comprimento.

Equação de Poiseuille:

No caso da análise da circulação humana, a variável comprimento não tem muita

importância, pois não há como aumentar ou diminuir significativamente o comprimento

dos vasos sanguíneos. A variável viscosidade apresenta importância relativa, pois

raramente ocorrem grandes alterações na viscosidade do sangue. Pode ocorrer

relativo aumento da viscosidade do sangue em casos de desidratação ou discreta

redução da viscosidade no caso de anemias.

O principal determinante da resistência ao fluxo no sistema circulatório é o raio

do vaso.

Sabemos que o coração fica um terço do tempo em sístole e dois terços do

tempo em diástole. A pressão sistólica tem por finalidade acelerar o sangue (romper

sua inércia) para fora do coração. Já a pressão diastólica existe unicamente para

equilibrar a resistência e permitir que o fluxo flua em velocidade constante, ou seja, por

inércia.

Page 24: Biofísica Médica - Resumão

VIII. VISÃO TERMODINÂMICA DA CIRCULAÇÃO

Num sistema dissipativo, parte da energia “se degrada”, se transforma em um

tipo de energia que não pode retornar para o tipo original. Essa parcela de energia

perdida pelo sistema em forma de calor é a entropia. À medida que o tempo passa,

aumenta a entropia, ocasionando uma irreversibilidade das transformações.

Desde a saída do sangue do coração até o seu retorno, novamente ao coração,

a energia mecânica deveria se conservar, caso o sistema circulatório fosse um

sistema conservativo. Mas esse não é o caso – o sistema é dissipativo. Assim, a

energia mecânica não se conserva, pois uma parcela, tanto da energia cinética

(velocidade) quanto da energia potencial (pressão), se transforma em entropia, em

função das forças dissipativas.

Como as grandes artérias apresentam um considerável grau de elasticidade,

logo ao sair do coração a pressão do sangue é amortecida pela dilatação de tais

artérias. Dessa forma, parte da energia potencial do sangue (pressão) é transformada

em energia potencial elástica nas artérias.

Outra força dissipativa muito importante é a força de atrito. Apesar de o endotélio

que reveste os vasos sanguíneos apresentar um dos coeficientes de atrito mais baixos

da natureza, como a extensão total dos vasos é grande, existe dissipação de energia

mecânica do sangue em função do atrito com o endotélio.

Além disso, pelo fato de o sangue não ser um fluido homogêneo, já que

apresenta células e proteínas em seu conteúdo, o fluxo do sangue não é

perfeitamente laminar. Assim, existe também perda de energia através do atrito entre

as lâminas do próprio sangue.

Como as artérias se bifurcam, o choque da coluna de sangue com as incontáveis

bifurcações também faz com que a parte da energia seja dissipada.

Os esfíncteres pré-capilares também contribuem para a perda de energia, uma

vez que o sangue também se choca com eles.

Em função de todas essas variáveis dissipativas, o sangue chega aos capilares

com baixa pressão (energia potencial) e baixa velocidade (energia cinética). Após

Page 25: Biofísica Médica - Resumão

deixar os capilares, o sangue chega ao sistema venoso com baixa pressão e retorna

ao coração graças à pressão aspirativa produzida pela diástole dos átrios, dentre

outros fatores. A constante dissipação de energia é um motivo capital para o sistema

venoso ser um sistema de baixa pressão.

IX. PRESSÕES DE ESCOAMENTO NA REDE CAPILAR

Pressão hidrostática: favorece a filtração.

Pressão oncótica: oposição à filtração.

X. DINÂMICA DA FILTRAÇÃO RENAL

Filtração é um método em que separam substâncias sob pressão. Formalmente

podemos definir a filtração como um processo de separação de um sistema sólido-

líquido ou sólido-gasoso, e que consiste em fazer tal sistema passar através de um

material poroso (filtro) que retém o corpo sólido de deixa passar a fase líquida ou

gasosa. Quando as substâncias retidas pelo filtro apresentam dimensões muito

pequenas (da ordem de micrômetros), o processo é denominado ultrafiltração.

Os rins têm como principal função filtrar o plasma para formar a urina. Para que

ocorra filtração, os vasos sanguíneos, ao chegarem nos néfrons, formam uma rede

capilar enovelada, que denominamos glomérulo. A pressão existente no glomérulo é a

pressão hidrostática do sangue, que tende a acelerar o filtrado para fora (em direção à

cápsula de Bowman, que é a porção inicial do néfron). Opondo-se à filtração existem

duas pressões – a pressão oncótica do glomérulo, determinada pelas proteínas ali

Page 26: Biofísica Médica - Resumão

existentes, e a pressão hidrostática na cápsula de Bowman (pressão capsular), que

vai aumentando à medida que o filtrado se acumula na cápsula.

Assim, a pressão efetiva de filtração (PEF) é determinada pela aritmética entre a

pressão hidrostática do glomérulo (PH), a pressão oncótica (PO) e a pressão capsular

(PC), da seguinte forma:

PEF = PH – PO – PC

QUESTÕES

1. Qual o principal fator responsável pela aceleração de um fluido? Comente

sobre pressão positiva e pressão negativa, exemplifique.

Page 27: Biofísica Médica - Resumão

2. Comente sobre a relação do fluxo de sangue com a velocidade do fluido e com

a área dos vasos. Quais os vasos do sistema circulatório de humanos com o

maior calibre? Qual a importância fisiológica dessa grande área nesses vasos?

3. Comente sobre a pressão do sangue nas artérias, arteríolas, capilares e veias.

Qual o motivo de ocorrer uma redução significativa da pressão nas arteríolas?

4. O que é o fluxo laminar e o fluxo turbilhonado de um fluido?

5. Quais fatores causam resistência ao fluxo de sangue no sistema circulatório?

Page 28: Biofísica Médica - Resumão

6. Comente sobre as pressões hidrostáticas e oncóticas na rede capilar sistêmica

e nos capilares glomerulares dos néfrons.

Page 29: Biofísica Médica - Resumão

BIOFÍSICA DO SISTEMA RESPIRATÓRIO

I. PRESSÃO

Um líquido ou um gás exerce pressão sobre o seu continente. A pressão é um

conjunto de forças exercidas por cada uma das infinitas partículas do fluido sobre

infinitos pontos de seu continente.

Macroscopicamente, a pressão não pode ser considerada uma força, pois incide

sobre todos os pontos do continente com mesma intensidade. Porém, a pressão é

composta por pequenas forças geradas pelos choques das moléculas do fluido sobre

a parede do continente.

Pressão = força por unidade de área.

Como o choque de moléculas se dá aleatoriamente em todos os pontos do

recipiente, fica fácil observar que a pressão será a mesma em todos os pontos do

continente. A pressão de um fluido se distribui igualmente em todos os pontos de seu

continente.

A pressão em um sistema é dependente do volume do continente (Lei de Boyle).

Para aumentar a pressão dentro de um continente, basta diminuir seu volume.

Para diminuir a pressão dentre de um continente, basta aumentar seu volume.

1. PRESSÃO PARCIAL DE UM GÁS

Um gás exerce pressão em seu continente. A pressão exercida por um gás é

produzida pela força que esse gás exerce sobre a parede por unidade de área da

parede. E a causa dessa força é o somatório dos choques que as moléculas de gás

sofrem contra a parede: quanto mais choques, mais pressão.

Numa mistura gasosa, cada componente da mistura exerce uma determinada

pressão parcial sobre as superfícies em contato com a mistura, a qual é proporcional

à concentração desse gás na mistura.

Page 30: Biofísica Médica - Resumão

2. PRESSÃO PARCIAL DE UM GÁS MISTURADO EM UM LÍQUIDO

Os gases muitas vezes estão em suspensão na água. O motivo de essa mistura

ser uma suspensão é a existência da pressão parcial exercida pelo gás, na mistura,

contra a superfície do líquido, de dentro para fora.

Como o líquido e o gás circundante são sistemas abertos, a pressão parcial do

gás será proporcional à quantidade de gás que escapa do líquido. Definitivamente, as

moléculas de gás projetam-se contra a lâmina tensa na superfície do líquido,

ricocheteando de volta.

A pressão parcial de um gás no líquido é proporcional à concentração do gás no

líquido.

Contudo, há um fenômeno curioso que acontece nos líquidos: gases diferentes,

ainda que em mesma concentração, exercem pressões parciais diferentes!

Ao se determinar experimentalmente a relação entre a pressão e a concentração

de gases, determinou-se um coeficiente numérico de solubilidade para cada gás.

Quanto menor esse coeficiente, maior será a pressão parcial exercida pelo gás na

superfície do líquido. O coeficiente de solubilidade determina o grau de afinidade ou

repulsão que um gás apresenta em relação ao líquido.

A pressão parcial de um gás é diretamente proporcional à sua concentração e

inversamente proporcional ao seu coeficiente de solubilidade.

Coeficiente relativo de difusão – Esse coeficiente é derivado do coeficiente de

solubilidade e trata da velocidade de difusão de um gás dentro de um líquido.

Os gases como maior coeficiente de solubilidade têm mais liberdade para

circular dentro do líquido e, assim, difundir-se por sua intimidade, uma vez que

gases com coeficiente de solubilidade baixo apresentam afinidade pelo líquido.

A pressão parcial externa de um gás é determinante da concentração desse gás

quando ele está misturado em líquido.

Se pressão é força sobre unidade de área, imaginamos uma força para cada tipo

de gás apontando do meio circundante para dentro do líquido e uma outra força

Page 31: Biofísica Médica - Resumão

apontando do líquido para o meio circundante. O gás entra ou sai do líquido até as

forças se equilibrarem, ou seja, até as pressões parciais ficarem iguais dentro e fora

do líquido.

Se a pressão parcial de um gás, externa ao líquido, abaixa em relação à pressão

interna, sai gás da mistura.

Se a pressão parcial de um gás, externa ao líquido, aumenta em relação à

pressão interna, entra gás na mistura.

A pressão parcial de um gás dentro e fora da mistura líquida é a mesma.

II. TENSÃO

Tensão é uma força que tende a produzir ruptura.

A tensão é maior onde o raio do continente é maior.

Tensão é a força de contato exercida sobre um cabo em reação à força de

tração.

Utiliza-se o termo tração para a força exercida no corpo e tensão para a força

exercida no cabo ou no continente de um fluido. A natureza da tração e da tensão é a

mesma, ambas são forças que “puxam” alguma coisa.

O efeito da tensão depende da resistência do material.

A força elástica é a reação à tensão em um continente que apresente

elasticidade.

A tensão na superfície de um recipiente é diretamente proporcional à pressão

exercida pelo fluido que preenche esse recipiente e ao raio do recipiente (Lei de

Laplace).

Page 32: Biofísica Médica - Resumão

ELASTÂNCIA E COMPLACÊNCIA:

Elastância é a variação da resistência elástica de um tecido por unidade de

tensão.

Complacência é a variação da deformação de um tecido, por unidade de tensão.

Complacência é o inverso da elastância.

Quanto maior a elastância, menor a variação de volume sob uma mesma

pressão, e quanto maior a complacência, maior a variação de volume sob uma mesma

pressão.

Complacência é a variação do volume por unidade de pressão.

Capacitância é sinônimo de complacência.

III. TENSÃO SUPERFICIAL

A exemplo da água, as suas moléculas formam pontes de hidrogênio em todas

as direções. Ou seja, uma molécula de água está cercada por pontes de hidrogênio.

Como cada ponte é uma interação de forças entra duas moléculas, obviamente a

resultante delas será nula se considerarmos uma molécula situada no meio da massa

de água. Contudo, na superfície do líquido que é o limite físico da massa de água,

essas forças não se anulam!

Para o rigor da definição, consideramos que a tensão superficial é a propriedade

que só existe na interface de dois meios diferentes, por exemplo, líquido e gás.

1. TENSÃO SUPERFICIAL NA SOLUÇÃO DE DETERGENTE

O detergente age como um competidor pelos sítios polares das moléculas de

água. Ele é um sal de cabeça longa, composto por uma cadeia polar de dezenas de

carbonos (cauda) e uma extremidade polar que se liga à água. A parte iônica é

hidrofílica, que se liga a moléculas de água. A parte apolar é hidrofóbica, ou seja, não

interage com a água.

Page 33: Biofísica Médica - Resumão

Logo, a molécula anfipática, ao se ligar a uma molécula de água através da

parte iônica, literalmente desliga essa molécula da rede de pontes de hidrogênio, pois

a parte apolar do detergente não tem a que se ligar. Assim, com a adição de uma

substância anfipática à água, o número de pontes de hidrogênico no sistema cai

vertiginosamente. E com isso, a tensão superficial da água é reduzida.

As moléculas anfipáticas são, por isso, chamadas de tensoativas.

2. OS ALVÉOLOS PULMONARES E AS MOLÉCULAS TENSOATIVAS

Os alvéolos, como qualquer outro tecido do organismo, são ricos em água. Tanto

que, continuamente, existe uma fina camada de água na sua superfície interna. E,

como sabemos, a água exerce uma tensão superficial. Essa tensão é forte o bastante

para fazer com que o alvéolo se feche, fique todo amassado (a isso chamamos

colabamento). E também é forte o suficiente para impedir a inspiração.

Entretanto, a água alveolar está repleta de surfactante (uma substância

tensoativa, tipo um detergente). O surfactante é produzido a partir de ácidos graxos

pelas células alveolares do tipo II. O constituinte mais importante é a dipalmitil

fosfatidilcolina (DPPC), são anfipáticos.

Esse surfactante reduz a tensão superficial da água, permitindo que ela se

“espalhe” pela superfície do alvéolo e que este seja insuflado tranquilamente durante a

inspiração.

Page 34: Biofísica Médica - Resumão

Síndrome da angústia respiratória neonatal: Um dos maiores dramas no parto

de crianças prematuras é que o pulmão de fetos com menos de 30 semanas

(aproximadamente) ainda não produz surfactante. Logo, se o problema não for

imediatamente tratado com a aplicação de surfactante sintético pelas vias

respiratórias, o bebê provavelmente morre por incapacidade de respirar.

IV. VENTILAÇÃO PULMONAR

A ventilação pulmonar é o processo físico que possibilita a entrada e a saída de

ar dos pulmões.

1. AS FORÇAS ELÁSTICAS E AS PRESSÕES NO PULMÃO

O ar é um fluido, e só é possível acelerar fluidos submetendo-os a uma diferença

de pressão. Como os alvéolos e as vias respiratórias são estruturas anatomicamente

abertas, mantêm contato com o ar atmosférico. Portanto, a pressão intra-alveolar tem

valor igual ao da pressão atmosférica. O ar só poderá se deslocar em direção aos

alvéolos se a pressão atmosférica se tornar maior que a pressão intra-alveolar. A

solução, então, é diminuir a pressão intra-alveolar, ou seja, torná-la uma pressão

negativa, subatmosférica.

Page 35: Biofísica Médica - Resumão

Para diminuir a pressão intra-alveolar, basta aumentar o volume dos alvéolos

(Lei de Boyle). Logo, para que a pressão intra-alveolar diminua, basta que os pulmões

se expandam durante a inspiração. A consequência é a entrada de ar até a pressão

intra-alveolar se igualar à atmosférica.

A cavidade pleural é um espaço único delimitado em toda a sua extensão por

uma membrana serosa denominada pleura. A parte da pleura que fica aderida à

parede torácica se denomina pleura parietal, enquanto a porção do folheto pleural que

fica aderida ao parênquima pulmonar (alvéolos) é chamada de pleura visceral.

O pulmão é um órgão elástico, cuja malha de fibras conjuntivas é concêntrica (ou

seja, as fibras são pequenas molas radiais que convergem para o hilo do órgão). Esse

pulmão está literalmente aberto, ou seja, o ar no seu interior mantém continuidade

com o ar atmosférico. O pulmão está encerrado dentro de uma caixa rígida, que é a

caixa torácica, reforçada por um gradil costal. A caixa torácica tem um volume bem

maior do que o do pulmão em repouso (pulmão sob tensão zero).

Contudo, o pulmão está preenchendo completamente o interior da caixa torácica.

Isso significa que o pulmão está sendo submetido a uma determinada tensão que o

estire a ponto de preencher toda a cavidade. O interior do alvéolo mantém contato

contínuo com o meio atmosférico; assim, mesmo quando o pulmão está estirado

dentro da caixa torácica (sob tensão), a sua pressão interna (pressão intra-alveolar) é

igual à pressão atmosférica.

Page 36: Biofísica Médica - Resumão

Qual é a fonte de tensão que produz o estiramento do pulmão tornando-o

distendido? É uma pressão negativa que rodeia o exterior do pulmão que o puxa

excentricamente, estirando-o – a pressão intrapleural negativa.

O que faz com que a pressão intrapleura seja negativa é o fato de caixa torácica

ser inextensível, criando um vácuo dentro da cavidade pleural. Isto ocorre em virtude

das características elásticas intrínsecas da caixa torácica e dos pulmões. Se

realizarmos um experimento retirando os pulmões da caixa torácica, vamos observar

que a elasticidade dos músculos da parede torácica tende a tracionar esta para fora,

ou seja, sem os pulmões a tendência do tórax é expandir-se ainda mais. Por outro

lado, os pulmões, se forem retirados da caixa torácica, tendem a colapsar (retrair-se)

por causa das muitas fibras elásticas que existem em torno dos alvéolos.

Como a parede da caixa torácica tende a se expandir (trazendo consigo a pleura

parietal) e os pulmões tendem a colapsar (levando com eles a pleura visceral), ocorre

um discreto afastamento dos dois folhetos pleurais, aumentando o volume da cavidade

pleural e gerando nesta uma pressão de sucção (pressão negativa).

Outro importante fator que contribui para que a pressão intrapleural seja negativa

é a contínua retirada de líquido do espaço pleural pelos capilares linfáticos.

A caixa torácica não é imóvel. Ela aumenta de volume pela contração de

músculos como o diafragma e os músculos intercostais.

Quando a caixa torácica se expande, traciona a pleura parietal para fora, e isto

aumenta o volume da cavidade pleural, fazendo com que a pressão intrapleural se

torne ainda mais negativa. A pressão intrapleural negativa traciona a pleura visceral

Page 37: Biofísica Médica - Resumão

em direção à pleura parietal, e como a pleura visceral está aderida ao parênquima

pulmonar, o pulmão é tracionado em direção à parede torácica. Consequentemente, o

pulmão se distende, causando aumento do volume dos alvéolos, e, com o aumento do

volume alveolar, a pressão intra-alveolar diminui. A pressão intra-alveolar, então,

passa a apresentar valores negativos (subatmosféricos), propiciando a entrada de ar

nos pulmões. Estes são os fenômenos mecânicos que possibilitam que a inspiração

ocorra.

Para que a expiração ocorra, basta que os músculos intercostais e o diafragma

relaxem e as próprias forças elásticas existentes no pulmão cuidem de “tracionar” as

pleuras e a caixa torácica até a posição original, gerando uma pressão intra-alveolar

positiva que faz com que o ar saia dos pulmões.

Existem dois tipos de forças elásticas que atuam na expiração:

As forças elásticas do tecido pulmonar, que são determinadas principalmente

pelas fibras elásticas e pelas fibras colágenas existentes no interstício

pulmonar.

AS forças elásticas causadas pela tensão superficial existente no interior dos

alvéolos, as quais representam cerca de 2/3 do total das forças elásticas nos

pulmões normais.

A tensão superficial é um efeito que ocorre na camada superficial de um líquido,

fazendo com que a superfície deste se comporte como uma membrana elástica. Como

o interior dos alvéolos é repleto de moléculas de água, a tensão superficial é tão

grande que poderia impedir a abertura dos alvéolos. A tensão superficial só não

inviabiliza a respiração porque existe no interior dos alvéolos uma substância

Page 38: Biofísica Médica - Resumão

produzida pelos pneumócitos tipo II, denominada surfactante, que atua reduzindo a

tensão superficial da água.

A inspiração é um processo ativo, pois depende de trabalho muscular. A

expiração é um processo passivo, que ocorre em virtude das forças elásticas

existentes no pulmão.

A diferença numérica entre o valor da pressão intrapleural e a pressão intra-

alveolar é denominada pressão transpulmonar. A expansão torácica ocorre justamente

por causa da diferença de pressão na cavidade pleural e a pressão no alvéolo. Assim,

podemos afirmar que, quando os valores da pressão transpulmonar estão baixos, a

ventilação fica prejudicada.

= –

A pressão transpulmonar é a pressão que mantém as vias respiratórias abertas,

tanto na inspiração quando na expiração.

2. VOLUMES PULMONARES

Volume corrente (VC): Volume de ar (cerca de 500mL) inspirado ou expirado

durante a respiração em repouso.

Page 39: Biofísica Médica - Resumão

Volume de reserva inspiratória (VRI): Volume extra de ar (cerca de 3000mL)

que pode ser inspirado em uma inspiração forçada

Volume de reserva expiratória (VRE): Volume extra de ar (cerca de 1000mL)

que pode ser expirado em uma expiração forçada, após o final da expiração do

volume corrente de pressão.

Volume residual (VR): Volume de ar (cerca de 1000mL) que permanece nos

pulmões mesmo após uma expiração forçada de intensidade máxima.

3. FLUXO DE AR E RESISTÊNCIA DAS VIAS AÉREAS

O fluxo é diretamente proporcional á diferença de pressão entre a boca e o nariz

e os alvéolos, e é inversamente proporciona à resistência das vias aéreas.

F =

Page 40: Biofísica Médica - Resumão

A resistência é determinada, principalmente, pela lei de Poiseuille: Quanto menor

o raio do vaso, maior será a resistência e menor será o fluxo. O fluxo de um vaso é

diretamente proporcional à quarta potência do raio.

Alterações da resistência das vias aéreas – sistema nervoso autônomo: Estímulo

parassimpático produz constrição da musculatura lisa dos brônquios. Estímulo

simpático produz relaxamento.

A resistência se torna um impedimento importante ao fluxo de ar quando o

interior das vias aéreas se tornam anormalmente estreitados por acúmulo de

muco ou por doença obstrutiva crônica (bronquite crônica, asma).

4. COMPLACÊNCIA PULMONAR

Descreve a distensibilidade do sistema. Refere-se à variação de volume dos

pulmões para uma dada mudança de pressão.

A complacência dos pulmões e da caixa torácica tem relação inversa com as

propriedade elásticas, ou elastância. Quanto maior a quantidade de tecido elástico,

maior é a força de recuo, menor é a complacência.

Enfisema Pulmonar: Aumento da complacência por destruição das fibras

elásticas.

V. TROCAS GASOSAS, DIFUSÃO E TRANSPORTE DE GASES

Relaciona-se com a pressão parcial de um gás misturado em um líquido e seu

coeficiente de solubilidade.

Gás Coeficiente de Solubilidade Coeficiente de Difusão

0,024 1,00

0,570 20,30

Page 41: Biofísica Médica - Resumão

1. TRANSPORTE DE PELO SANGUE

dissolvido: 2% do conteúdo total de no sangue.

Oxiemoglobina: maior parte do no sangue.

2. TRANSPORTE DE PELO SANGUE

dissolvido: 5% do conteúdo total do no sangue.

Carbaminoemoglobina: 3% do conteúdo total de .

: 92% do total de .

QUESTÕES

1. Explique o porquê de os pulmões estarem estirados para ocupar o volume da

caixa torácica. Quais as forças são responsáveis pelo estiramento pulmonar e

qual a importância fisiológica desse evento?

2. Quais mudanças ocorrem nos volumes e pressões da caixa torácica e pulmões

durante o ciclo respiratório? Quais músculos participam da inspiração

silenciosa? Por que a expiração silenciosa é um processo passivo?

Page 42: Biofísica Médica - Resumão

3. Comente sobre a complacência pulmonar e dê um exemplo de alteração

patológica da complacência dos pulmões.

4. Fales sobre a difusão dos gases entre os alvéolos e os capilares pulmonares.

Explique o que é a pressão parcial dos gases.

Page 43: Biofísica Médica - Resumão

ONDAS

I. INTRODUÇÃO

Onda é uma forma de transferência de energia sem transferência de matéria.

Onda é o fenômeno que consiste numa perturbação periódica, que se propaga

em um meio material ou no espaço.

II. PERTURBAÇÃO E PROPAGAÇÃO

Toda vez que um determinado corpo transfere energia para um meio, esse corpo

produz um perturbação local que se propaga para todas as direções desse meio. Essa

perturbação recebe o nome de onda.

A quantidade de movimento (energia) de um corpo que se choca com um meio

elástico determina, nesse meio, tanto o número de ondas por unidade de tempo

(frequência) como a amplitude dessas ondas.

A quantidade de movimento de um corpo que se choca com um meio elástico

não determina a velocidade de propagação da onda.

Pois,

O que determina a velocidade de propagação de uma onda são as

características intrínsecas do meio.

As principais características de uma onda, as quais definem seu comportamento,

são:

Frequência: Número de perturbações em propagação por unidade de tempo.

Amplitude: Intensidade de cada perturbação (altura da onda). Quanto mais

energia tem a onda, maior sua amplitude.

Page 44: Biofísica Médica - Resumão

Comprimento de onda: Distância entre duas perturbações (medida pela

distância entre duas cristas).

Velocidade de propagação: Distância percorrida pela perturbação (no sentido

da propagação) por unidade de tempo.

Uma onda é definida pela quantidade de energia que transmite.

A velocidade de propagação da onda depende simultaneamente da frequência e

do comprimento de onda.

A velocidade de propagação de uma onda é dada pelo produto da frequência da

onda por seu comprimento de onda.

v = λ . f

Ondas veiculam energia!

1. COMO AS ONDAS SE PROPAGAM

Ondas que se propagam por uma única dimensão são chamadas ondas

unidimensionais.

Ondas que se propagam através de uma superfície são chamadas de ondas

bidimensionais.

Ondas que se propagam para todas as direções do espaço a partir da fonte são

chamadas de ondas tridimensionais.

A propagação tridimensional de uma onda no ar se dá com oscilações

longitudinais ao sentido da onda, gerando momentos de rarefação e compressão.

Podemos, para fins de simplificação e visualização, representar uma onda

tridimensional (rarefação – compressão) como uma oscilação bidimensional em um

gráfico, em que a rarefação apresenta os “vales” do gráfico da onda e a compressão,

as “cristas” do gráfico.

Page 45: Biofísica Médica - Resumão

2. COMO AS ONDAS INTERAGEM

Uma grande variabilidade de padrões de frequência e amplitude podem se

somar, gerando um composto complexo de oscilações. Esse complexo é chamado de

“onda complexa”.

2.1. INTERAÇÕES ADITIVAS

Quando pulsos de rarefação ou de compressão de duas ondas coincidem, é

produzido um pulso de amplitude aumentada ou amplificada, definindo o pulso

resultante, que é a soma aritmética dos pulsos originais.

2.2. INTERAÇÕES SUBTRATIVAS

Quando o pulso de rarefação de uma onda coincide com o pulso de compressão

de outra, e vice-versa, a amplitude do pulso resultante é reduzida ou anulada,

definindo uma subtração aritmética dos pulsos originais.

Page 46: Biofísica Médica - Resumão

3. RESSONÂNCIA

Ressonância é um processo de amplificação de ondas com mesma frequência,

produzidas em fontes diferentes, através de uma interação aditiva.

III. A NATUREZA DAS ONDAS

1. ONDAS MECÂNICAS

Onda mecânica é aquela que se propaga através de um meio material, através

do deslocamento de uma perturbação local, e que interfere no estado de cinética das

partículas desse meio.

A perturbação in loco alteração cinética das moléculas, a qual não configura

deslocamento de massa no sentido da propagação da onda, mas gera a amplitude da

onda. É assim que a onda transfere sua energia: através de sua amplitude, a qual

ocasiona movimento transversal.

A velocidade de propagação das ondas mecânicas depende do meio em que ela

se propaga. De um modo geral, quanto mais denso o meio, maior a velocidade de

propagação.

A velocidade de propagação das ondas mecânicas é maior nos sólidos do que

nos líquidos, e maior nos líquidos do que nos gases. As ondas mecânicas não se

propagam no vácuo.

2. ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

A onda eletromagnética é uma perturbação que se origina através da vibração

de um campo elétrico e magnético, simultaneamente.

Os campos de força magnética e elétrica, por si, são inseparáveis, e não é

admitida a existência exclusiva de um.

Onda eletromagnética é a onda que se origina pela variação de um campo

eletromagnético e que se propaga no vácuo com a velocidade da luz.

Page 47: Biofísica Médica - Resumão

Ao contrário das ondas mecânicas, quanto maior a densidade de um meio,

menor a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas. A velocidade desse

tipo de onda é máxima no vácuo.

Como nas ondas mecânicas, a quantidade de energia transferida para o receptor

de ondas eletromagnéticas é proporcional à frequência dessas ondas. Além disso,

segundo o modelo adotado atualmente, essa transferência de energia se dá através

dos fótons, que se comportam como “pacotes de energia”.

Fóton é a partícula elementar mediadora da força eletromagnética. O fóton

também é a quantidade de radiação eletromagnética, ora se comportando como onda,

ora se comportando como partícula.

Espectro eletromagnético: É todo o conjunto de ondas eletromagnéticas

possíveis.

Page 48: Biofísica Médica - Resumão

BIOFÍSICA DA VISÃO

I. A ESTRUTURA DO OLHO

O olho é uma esfera cheia de fluidos envolvida por três camadas de tecido

especializado:

Esclera: membrana rígida que serve para dar forma ao olho.

Coróide: rica em vasos sanguíneos e em pigmentos de cor negra (melanina), é

responsável pela nutrição da retina e reduz a reflexão da luz no interior do

globo ocular.

Retina: membrana onde estão os fotorreceptores (células nervosas

responsáveis pela detecção da luz e onde ocorre o primeiro estágio do

processamento das informações visuais).

Câmara anterior preenchida com humor aquoso que nutre a córnea e o

cristalino. O humor aquoso é drenado para as veias; seu volume determina a pressão

intraocular.

A grande cavidade que se situa atrás do cristalino contém o humor vítreo; um

fluido gelatinoso com composição semelhante à do líquor.

Page 49: Biofísica Médica - Resumão

A emergência do nervo óptico cria na retina uma região chamada de ponto cego,

que se localiza próximo à fóvea. Nessa região não existem fotorreceptores.

II. A QUANTIDADE DE LUZ QUE ENTRA NO OLHO É CONTROLADA PELA

ÍRIS

Míose: Constrição da pupila (parassimpático). Ambiente bem iluminado, fadiga,

focalização de objeto próximo.

Midríase: Dilatação da pupila (simpático). Ambiente pouco iluminado, dor,

orgasmo, no momento da morte.

III. O OLHO REFRATA A LUZ QUE ENTRA PARA FOCALIZAR A IMAGEM

NA RETINA

Refração é a alteração da direção de propagação de uma onda em função da

alteração de sua velocidade, que ocorre quando uma onda muda de meio.

LENTES:

Lente côncava – Divergente

Lente convexa – Convergente.

A córnea e o cristalino atuam, em condições normais, como lentes convergentes.

n (cristalino) = 1,4

n (córnea) = 1,38

Page 50: Biofísica Médica - Resumão

Quanto maior o n (índice de refração), menor a velocidade do raio de luz, maior

a convergência.

IV. FORMAÇÃO DA IMAGEM NO OLHO

Podemos fazer uma analogia de uma câmera fotográfica com o olho. Em ambos

temos um sistema de lentes, que focam a imagem de um olho sobre uma região

específica, no caso dos olhos, a retina, na câmera, o filme. Como na câmera, a

imagem do olho forma-se invertida, o cérebro corrige e interpreta a informação como

se a imagem estivesse na posição original.

V. FOTOTRANSDUÇÃO

A fototransdução pelas células receptoras da retina (cones e bastonetes)

converte estímulos de luz em sinais luminosos.

VI. DESORDENS COMUNS DA VISÃO

Miopia.

Hipermetropia.

Astigmatismo

Page 51: Biofísica Médica - Resumão

QUESTÕES

1. Assim como uma câmera fotográfica, o olho humano possui uma espécie de

diafragma chamado pupila. Como são denominadas sua dilatação e constrição

e qual parte do sistema nervoso é responsável por cada um desses dois

processos?

2. Quais as duas estruturas do olho que se comportam como lentes e qual o tipo

de lente elas se comportam?

Page 52: Biofísica Médica - Resumão

BIOFÍSICA DA AUDIÇÃO

I. SOM E AUDIÇÃO

Grande parte das informações que o ser humana recebe são transmitidas por

ondas sonoras – mecânicas – originadas em diversas fontes no ambiente.

O sistema auditivo dos animais permite a captação e reconhecimento do

conteúdo que essas ondas possuem.

O aparelho auditivo humano também está relacionado com o equilíbrio do corpo.

Som é a sensação percebida pelo cérebro que se relaciona com a chegada ao

ouvido de ondas de vibração mecânica.

O som se propaga nos ambientes materiais através de ondas. As ondas sonoras

são vibrações sincronizadas das moléculas que constituem o meio. Ao vibrarem em

conjunto, elas criam em torno da fonte sonora regiões de alta e baixa pressão. Essas

variações de pressão se propagam no meio como onda mecânica. Ao vibrar, a fonte

sonora produz uma série de ondas compressão-expansão que se propagam no meio,

perdendo intensidade ao longo do percurso.

Nem todos os eventos geram vibrações atmosféricas que podemos ouvir. A

sensibilidade do ouvido humano varia com a frequência do som. O ouvido humano

pode detectar frequências sonoras na faixa de 16 a 17000Hz, mas é mais sensível

para as frequências entre 2000 e 5000Hz.

II. QUALIDADES FISIOLÓGICAS DO SOM

1. ALTURA

A altura do som é a qualidade que permite diferenciar um som grave (baixo) de

som agudo (alto), e é determinada pela frequência da onda sonora.

Page 53: Biofísica Médica - Resumão

Os sons com frequência menor que 16Hz são chamados infrasons, enquanto os

de frequência maior que 17000Hz são chamadas ultra-sons.

2. INTENSIDADE OU VOLUME

O volume (ou intensidade) do som nada mais é do que a intensidade da onda

sonora, ou seja, a amplitude das oscilações.

Intensidade é a amplitude da onda sonora, e permite diferenciar um som forte de

um som fraco.

A unidade de intensidade dos sons é o decibel (dB). Intensidades sonoras acima

de 140dB causa dor, e acima de 160dB podem lesionar o tímpano.

3. TIMBRE

Todos os sons são ondas compostas (soma de várias ondas diferentes) que

contêm uma onda dominante. Essa onda dominante se destaca em amplitude das

demais ondas que compõem o som, definindo assim, o perfil resultante da soma de

ondas, ou seja, o perfil da onda composta.

Timbre é a qualidade que permite diferenciar dois sons de mesma altura e

mesma intensidade, mas emitidos por fontes distintas.

O timbre de um som depende do conjunto de sons secundários (harmônicos)

que acompanham o som principal.

III. EFEITO DOPPLER

Se uma fonte emissora de som se aproxima de um observador parado, a

frequência do som percebida por esse observador será maior do que se a fonte

estivesse em repouso, e, quando a fonte se afasta do observador parado, a frequência

será menor do que se estivesse em ropouso.

Page 54: Biofísica Médica - Resumão

IV. APARELHO AUDITIVO

Amplificação da onda no ouvido médio:

Ouvido interno:

Page 55: Biofísica Médica - Resumão

QUESTÕES

1. Para pesquisarmos distúrbios auditivos podemos utilizar testes (teste de Rinne

e Weber) para avaliarmos a condução aérea e a condução óssea. O teste de

condução óssea consiste na colocação de um diapasão vibrando num osso

atrás da orelha chamado processo mastoide. Utilizando os conhecimentos de

biofísica sobre ondas mecânicas, explique por que em pessoas normais a

colocação do diapasão nessa eminência óssea produz um som audível.

2. Além da função da audição, o sistema auditivo possui outra importante função.

Que função é essa?

Page 56: Biofísica Médica - Resumão

RADIAÇÕES

I. INTRODUÇÃO

Radiações são partículas ou campos (ondas) que se propagam transferindo

energia ou matéria no espaço.

Assim, as radiações podem surgir tanto no núcleo quanto na eletrosfera de

átomos, dependendo de onde ocorre o excesso de matéria ou energia.

II. IONIZAÇÃO

Uma vez que um átomo libera radiação, essa radiação (energia) irá se transferir

para um corpo qualquer. Dependendo da intensidade da radiação emitida, o corpo que

irá recebê-la poderá ou não sofrer ionização. Classificamos as radiações de acordo

com seu efeito em radiações ionizantes e radiações não-ionizantes.

Ionização é o processo pelo qual os átomos de uma determinada matéria

perdem ou ganham elétrons, formando íons.

Logo, os átomos de um corpo que sofreu efeito de uma radiação ionizante

ficarão ionizados.

Como as radiações ionizantes transportam grandes quantidades de energia,

quando a radiação atinge um corpo essa energia se transfere à eletrosfera do corpo

atingido e arranca elétrons da matéria que constitui o corpo em questão, gerando

elétrons livres.

Page 57: Biofísica Médica - Resumão

Os elétrons livres são espécies químicas altamente reativas, e assim eles

reagem com qualquer matéria que esteja ao seu alcance alterando sua estrutura

química, podendo muitas vezes alterar sua função.

Se uma radiação ionizante atinge o tecido humano, os elétrons livres formandos

poderão fundamentalmente atuar de duas formas, uma direta e outra indireta.

1. VIA DIRETA DA IONIZAÇÃO

Na forma direta, os elétrons livres reagem diretamente com as proteínas do

organismo, alterando totalmente sua configuração e pervertendo sua função. Esse tipo

de atuação ocorre com aproximadamente 20% dos elétrons livres liberados.

É importante ressaltar que, pela atuação direta, muitas vezes os elétrons livres

reagem diretamente com o DNA das células, atacando principalmente suas muitas

pontes de hidrogênio. Nesse caso, se uma grande quantidade de radiação for

absorvida pelas células, o DNA pode sofrer alterações estruturais que irão interferir

diretamente nos processos de reprodução celular e síntese proteica, podendo

ocasionar diversos tipos de câncer.

Se porventura as mesmas radiações forem dirigidas de forma controlada para o

DNA de células cancerosas, estas poderão ser destruídas. Esse é o fundamento da

radioterapia.

2. VIA INDIRETA DA IONIZAÇÃO

Na via indireta os elétrons livres reagem com as moléculas de água (presentes

em todo o organismo), e, desta forma, produzem radicais livres de oxigênio (peróxidos,

Page 58: Biofísica Médica - Resumão

superóxidos, etc.) que são altamente reativos e poderão posteriormente reagir com as

estruturas celulares alterando sua função. Oitenta por cento dos efeitos das radiações

ocorrem através da indireta. O fato de a maior parte das radiações ionizantes atuar

através de radicais livres de oxigênio explica porque os tecidos em hipóxia (mal

oxigenados) são cerca de três vezes mais resistentes aos efeitos das radiações.

As radiações, sejam elas ondas ou partículas, podem ser ionizantes ou não-

ionizantes. A ionização ocorre quando a energia da radiação incidente sobre um

material é suficiente para arrancar elétrons dos seus átomos. Dizemos que a radiação

é não-ionizante quando sua energia não é suficientemente grande para arrancar

elétrons dos átomos; nesse caso, pode ocorrer excitação do átomo, em que os

elétrons são levados a camadas mais externas do átomo sem, contudo, serem

ejetados.

III. RADIAÇÕES

O átomo é composto pelo núcleo e pela eletrosfera. No núcleo temos

fundamentalmente os prótons (com carga positiva e massa) e os nêutrons (sem carga

e com massa). O que determina a identidade de um átomo é o número de prótons que

existe em seu núcleo, que denominamos número atômico. A soma do número de

prótons e nêutrons determina o número de massa.

Isótopos são átomos de um mesmo elemento químico (portanto, mesmo número

atômico), porém com número de nêutrons diferentes.

Normalmente, as radiações que transportam mais energia se originam em

núcleos atômicos, pois levam consigo a energia das forças nucleares. As forças

nucleares são extremamente poderosas. As forças nucleares francas são capazes de

Page 59: Biofísica Médica - Resumão

transformar prótons em nêutrons (e vice-versa) como ocorre no caso de emissão beta.

Já as forças nucleares fortes mantêm os prótons unidos e restritos ao núcleo; além

disso, parece que os nêutrons atuam como uma cola que mantém os prontos juntos

dentro do núcleo. Assim, foi verificado experimentalmente que:

Todas as vezes que existe uma diferença significativa entre o número de prótons

e o número de nêutrons, o núcleo se torna instável, emitindo radiação.

IV. RADIAÇÕES IONIZANTES

Uma vez que o núcleo de um átomo é constituído de partículas, podemos

considerar o núcleo atômico como um sistema. Se um núcleo apresentar excesso de

energia, a termodinâmica garante que esse núcleo apresenta baixa estabilidade, logo

maior será a probabilidade de ele transferir essa energia para um sistema com menos

energia, como assegura a segunda lei da termodinâmica. Assim, uma núcleo atômico

com excesso de energia caracteriza um sistema instável.

Uma vez que, segundo os postulados da física moderna, matéria é energia

condensada, podemos concluir que um núcleo instável é aquele que apresenta

excesso de matéria ou energia.

Todas as vezes que um núcleo de um átomo for instável, damos a esse átomo o

nome de radionuclídeo, e, como ele deverá transferir essa energia em busca da

estabilidade, essa energia será transferida na forma de radiação (radioatividade), ou

seja, o átomo será radioativo.

Radionuclídeo é o átomo cujo núcleo emite radiação.

A radiação emitida por um radionuclídeo pode ser de natureza particulada (de

partículas) ou ondulatória (de ondas).

Prótons, nêutrons e elétrons ejetados de átomos ou núcleos atômicos são

exemplos de radiação particulada. As radiações de natureza particulada são

caracterizadas por sua carga, massa e velocidade.

Page 60: Biofísica Médica - Resumão

As radiações eletromagnéticas (ondulatórias) são constituídas por campos

elétricos e magnéticos variando no espaço e no tempo. As ondas eletromagnéticas

são caracterizadas pela amplitude e pela frequência da oscilação.

Já que um radionuclídeo emite partículas, ele irá um dia acabar se

desintegrando. Para medir o tempo durante o qual um radionuclídeo emite radiações,

foi criado o conceito de meia-vida. A meia vida representa o tempo transcorrido até

que a atividade de um determinado radionuclídeo caia pela metade.

1. RADIAÇÃO ALFA

A radiação alfa é um feixe de partículas. O decaimento alfa acontece quando um

núcleo, em geral pesado, emite uma partícula composta por dois prótons e dois

nêutrons, ou seja, por um núcleo de hélio.

Caso o núcleo tenha uma desproporção entre prótons e nêutrons, a emissão alfa

não terá poder para igualar o número de prótons e de nêutrons, uma vez que a cada

radiação alfa o átomo perde 2 prótons e 2 nêutrons.

Já que a emissão alfa, por si só, não estabiliza o núcleo, por que ela acontece?

Como a emissão alfa ocorre em átomos com número de massa muito elevado, e como

a cada emissão o número de massa diminui, parece que o objetivo da emissão alfa é

justamente diminuir a massa do núcleo, afinal, excesso de massa não deixa de ser

excesso de energia, se considerarmos a massa como energia condensada. Porém é

claro que, para igualar o número de prótons e de nêutrons, isto é, equilibrar o núcleo,

outros de emissão serão necessários.

Page 61: Biofísica Médica - Resumão

Se levarmos em consideração que ela apresenta massa (2 prótons e 2

nêutrons), poderemos concluir que essa radiação é um corpo de tamanho

considerável (levando em conta a escala dos tamanhos atômicos). Assim, a radiação

tem alta probabilidade de colidir com outros átomos e produzir ionização. Da mesma

forma, a penetrância (capacidade de atravessar obstáculos) da radiação alfa é muito

baixa.

As radiações alfa:

São partículas;

São altamente ionizantes;

São pouco penetrantes;

Não são utilizadas em humanos.

2. RADIAÇÃO BETA NEGATIVA

A radiação beta negativa ou negatron nada mais é do que um elétrons, ou seja,

é uma partícula com massa muito pequena; porém, ao contrário dos elétrons que

habitam a eletrosfera, as partículas beta se encontram no núcleo, isto é, a partícula

beta é o elétron do núcleo.

Para entender a emissão da partícula beta negativa, imagine o seguinte: como

ela se encontra no núcleo, tem massa muito pequena e carga negativa, cada vez que

emite tal partícula o núcleo fica menos negativo (ou mais positivo), ou seja, o efeito

observado é de como se um nêutron se transformasse em um próton.

A cada emissão beta negativa o número atômico aumenta em 1 unidade e o

número de massa se mantém constante.

A cada emissão beta negativa um nêutron se transforma em um próton.

Page 62: Biofísica Médica - Resumão

Como as partículas beta têm muito menos massa que as partículas alfa, seu

poder de colisão (ionização) é menor, porém apresentam maior poder de penetração.

As radiações beta:

São partículas;

São bastante ionizantes, porém menos ionizantes que as partículas alfa;

São mais penetrantes que as partículas alfa;

São utilizadas em humanos.

Se um núcleo tiver excesso de nêutrons, ele irá emitir radiação beta negativa.

Aplicação: Em humanos as partículas beta negativa são utilizadas para fins

terapêuticos; é a chamada radioterapia. Nesse caso, a fonte emissora é colocada a

certa distância do paciente e bombardeia um feixe de partículas exatamente sobre a

área da pele adjacente ao local onde existe um processo cancerígeno. No caso de as

substâncias radioativas que emitem partículas beta negativa serem injetadas com

agulhas diretamente sobre o câncer, o processo recebe o nome de braquiterapia.

3. RADIAÇÃO BETA POSITIVA

Os físicos nucleares identificaram uma outra partícula no núcleo, a qual

denominaram pósitron, que na realidade é um elétron de carga positiva (isso mesmo!)

que se situa no núcleo – devido às suas características, os pósitrons são também

conhecidos como anti-elétrons. A emissão de radiação beta positiva (pósitron) gera um

efeito no núcleo que faz com que um próton se transforme em nêutron.

A cada emissão beta positiva o número atômico diminui em 1 unidade e o

número de massa se mantém constante.

Page 63: Biofísica Médica - Resumão

A cada emissão beta positiva um próton se transforma em um nêutron.

Se um núcleo tiver excesso de prótons, ele irá emitir radiação beta positiva.

Aplicação: As emissões beta positiva são utilizadas em um exame diagnóstico

de altíssima precisão denominado PET-scan. O termo PET significa tomografia

com emissão de pósitrons. O princípio desse exame se baseia no fato de que

tecidos com maior atividade metabólica consomem mais glicose – é o que

ocorrem em células tumorais, células inflamatórias ou áreas cerebrais que

estejam mais ativas em determinados momentos. Para isso, injetamos no

paciente um composto denominado fluordesoxiglicose (FDG), que é formado

por moléculas de glicose marcadas com o radioisótopo flúor-18, o qual emite

pósitrons. A FDG vai se fixar nos tecidos metabolicamente mais ativos.

4. RADIAÇÃO GAMA

A radiação gama é uma onda. Estas normalmente acompanham a emissão de

partículas alfa ou beta. Elas nada mais são do que ondas eletromagnéticas de

altíssima frequência (acima de Hz).

As ondas com frequência muito elevada (acima de Hz), por transportarem

muita quantidade de energia, têm capacidade para arrancar elétrons, sendo, portanto,

ionizantes, apesar de sua natureza ondulatória.

Após uma emissão gama não ocorre alteração nem no número atômico nem no

número de massa do átomo emissor.

Devido à sua natureza ondulatória e ausência de massa, seu potencial de

ionização é menor, porém não significa que seja desprezível; e seu potencial de

penetração é muito maior.

Page 64: Biofísica Médica - Resumão

As radiações gama:

São ondas eletromagnéticas;

Normalmente acompanha a emissão alfa e/ou beta;

São ionizantes, porém menos ionizantes que as partículas alfa e beta.

São bem mais penetrantes que as partículas alfa e beta;

São utilizadas em humanos.

Aplicação: Uma das aplicações das radiações gama é a cintilografia. Na

cintilografia são usados isótopos radioativos, os quais substituem isótopos

estáveis, formando uma estrutura molecular denominada radiotraçador ou

radiofármaco. Esse radiotraçador é captado e concentra-se num determinado

órgão. Em seguida, com a ajuda de detectores, podemos rastrear os

radioisótopos e assim determinar o mapeamento funcional de um órgão

específico. As imagens captadas representam a distribuição do radiotraçador

no órgão estudado. Qualquer distribuição que diferir da distribuição homogênea

irá indicar a presença de alguma anormalidade funcional. Quando ministrados

em doses maiores, os radiotraçadores são também utilizados na medicina

nuclear para eliminar células cancerosas.

5. RADIAÇÃO X

A forma mais comum de se obter os raios-x é através do choque de elétrons

submetidos a um campo elétrico de altíssima voltagem. Os raios-x podem ser

produzidos quando elétrons são acelerados em direção a um alvo metálico. O choque

do feixe de elétrons (que saem do cátodo) com o ânodo (alvo) produz os raios-x.

Chamamos esse processo de raio-x de frenagem. Com a frenagem dos elétrons, sua

energia cinética é transferida do espaço na forma de ondas.

Por se tratar de uma radiação eletromagnética, o raio-x apresenta alta

penetrância.

Page 65: Biofísica Médica - Resumão

O que determina o poder de ionização do raio-x não são suas características

intrínsecas, mas sim a voltagem que colocamos no aparelho.

As radiações-x:

São ondas eletromagnéticas;

Originam-se na eletrosfera;

Seu poder de ionização é variável;

São tão penetrantes quanto as radiações gama;

São utilizadas em humanos.

Aplicação:

Radiografia: Exame em que os tecidos são atravessados por um raio,

que sensibiliza um filme de acordo com a densidade de cada tecido.

Tomografia Computadorizada: Na TC, um tubo de raio-x gira 360º em

torno da região do corpo que pretendemos estudar, e a imagem obtida

será o somatório de fatias dessa região. O aparelho de TC emprega

muitas fontes de raio-x que produzem feixes estreitos e paralelos,

percorrendo ponto a ponto o plano que pretendemos visualizar,

mensurando a radiodensidade de cada ponto. O computador fornece

imagens de inúmero cortes e planos, conjugando-os e fornecendo uma

percepção tridimensional dessas imagens.

A) DOSIMETRIA

Dosimetria é a medida da dose de radiação emitida e absorvida pelos tecidos.

Atividade radioativa: Representa o número de emissões por segundo. A

atividade é intrínseca a cada radionuclídeo. A principal unidade de atividade no

sistema internacional é o bequerel (Bq), 1Bq equivale a 1 emissão/segundo.

Outra unidade muito usual para medir atividade é o Curie (Ci); 1Ci = 3,7 x

Bq.

Dose absorvida: Dose que será efetivamente absorvida pela matéria que foi

irradiada. A dose absorvida no sistema internacional é medida em Gray (Gy),

Page 66: Biofísica Médica - Resumão

que corresponde a 1 joule por quilograma. Outra unidade muito usual para

medir dose absorvida é o rad; 1Gy = 100rad.

Dose equivalente: No caso do corpo humano utiliza-se a medida da dose

equivalente, que é a própria dose absorvida, porém levando em conta a

constituição de cada tecido humano. Assim a dose equivalente é a dose

absorvida multiplicada por fatores de conversão que dependem de cada órgão

ou tecido. A unidade de dose equivalente no sistema internacional é o sievert

(Sv).

B) RADIOSSENSIBILIDADE

O principal alvo das ionizações são as pontes de hidrogênio do DNA; assim, nos

tecidos que apresentam alta taxa de mitose (células lábeis e células reprodutivas), a

sensibilidade ás radiações será maior. As células lábeis são aquelas que se

reproduzem continuamente.

Utilizando o mesmo raciocínio, as células estáveis, ou seja, as que apresentam

baixo potencial de reprodução, são mais resistentes aos efeitos das radiações. As

células estáveis quase nunca se renovam e apresentam baixo potencial de reprodução

e regeneração.

Dessa forma, podemos classificar a radiossensibilidade em três graus distintos:

Células muito sensíveis às radiações (células lábeis e gametas).

Células moderadamente sensíveis (as que apresentam comportamento

reprodutivo moderado). Ex: endotélio, tecido conjuntivo, túbulos renais.

Células pouco sensíveis ou radioresistentes (células estáveis). Ex:

células ósseas, neurônios, fibras musculares.

V. RADIAÇÕES NÃO-IONIZANTES

1. RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA

Os raios ultravioleta (UV) apresentam uma frequência entre e Hz. De

acordo com a frequência das ondas, os raios UV se dividem em UVA, UVB e UVC (em

ordem crescente de frequência).

Page 67: Biofísica Médica - Resumão

Como a camada de onzônio filtra grande parte desses raios, somente uma

pequena porcentagem de raios UVA e UVB atinge nosso planeta. Os raios UVC são

todos filtrados.

A radiação UVA possui intensidade constante ao longo de todo o ano, logo ela

atinge a pele praticamente da mesma forma durante o inverno ou o verão;

paralelamente, sua intensidade também não varia muito ao longo do dia. Esse tipo de

radiação penetra profundamente na pele, e é a principal responsável pelo

fotoenvelhecimento. Essa radiação tem importante participação nas fotoalergias e

pode, eventualmente, predispor ao surgimento do câncer.

Com relação à radiação UVB, podemos dizer que sua incidência aumenta

drasticamente durante o verão, especialmente nos horários entre 10 e 16 horas,

quando a intensidade dos raios atinge seu pico. Os raios UVB penetram

superficialmente e causam as queimaduras solares. É a principal responsável pelas

alterações celulares que predispõem ao câncer de pele. Somente os raios UVB

causam queimaduras solares devido à sua ação superficial; já os raios UVA, por

agirem profundamente na pele, podem causar lesões sem nenhuma queimadura

aparente. Os protetores solares só atuam filtrando os raios UVB.

Admite-se que as lesões causadas pelas radiações ultravioleta não são devidas

ao processo de ionização, uma vez que a concentração que chega até a superfície

terrestre normalmente não têm energia suficiente para arrancar elétrons. Entretanto,

parece que, apesar de não ocasionarem ionização, as radiações ultravioleta podem

acelerar várias reações químicas em nível celular por ocasionarem saltos de elétrons

entre camadas da eletrosfera. Dessa forma, apesar de não serem ionizantes, as

radiações ultravioleta pode ser classificadas como radiações excitantes.

As moléculas que absorvem a radiação ultravioleta se tornam energizadas e em

estado de excitação. Essas substâncias participam com mais facilidade de reações

bioquímicas, há um aumento no ritmo geral das reações de um sistema biológico. Há

também o aparecimento de novos caminhos metabólicos que podem ser prejudiciais

aos sistemas.

Page 68: Biofísica Médica - Resumão

2. ULTRA-SOM

Onda mecânica. O ultra-som nada mais é do que qualquer onda sonora com

frequência acima da 20.000Hz, ou seja, um som que não podemos escutar.

Aplicação: As ondas de ultra-som são largamente utilizadas em um exame

denominado ultra-sonografia (USG). O exame é realizado passando-se um

transdutor sobre a região que se quer estudar. O transdutor emite uma onda de

ultra-som, que é refletida pelo órgão de acordo com sua densidade, e esse

mesmo transdutor capta a onda refletida e alimenta o computador, que forma

as imagens em função da densidade de cada estrutura anatômica estudada.

Na realidade, o que ocorre é o fenômeno de eco (por isso o exame também é

conhecido como ecografia). Apenas parte dos ultra-sons é refletida, devido às

propriedades acústicas dos tecidos. Em seguida, os ecos são analisados por

um computador e transformados em imagem, em uma escala de tons de cinza.

As estruturas mais sólidas criam obstáculos à livre passagam das ondas

sonoras e são assim denominadas hipoecóicas (fornecem uma imagem

branca). Já estruturas líquidas permitem a livre passagme das ondas sonoras e

são denominadas hipercóicas, fornecendo uma imagem negra.

A USG pode ser utilizada de forma dinâmica, a fim de, por exemplo, examinar

o fluxo sanguíneo de vários órgãos. Para isso, o aparelho utiliza os princípios

físicos do efeito Doppler. No caso da USG, quando o sangue se aproxima do

transdutor, este perceberá uma frequência maior, e á medida que o sangue se

afasta o transdutor perceberá uma frequência menor.

3. RAIO LASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). O Laser nada

mais é do que uma onda luminosa amplificada. O laser apresenta uma energia

muitíssimo maior que a luz comum.

Para a física quântica, as radiações são constituídas por fótons, ou seja,

“pacotes de energia”. No caso do laser, quando seus fótons atingem uma determinada

superfície ocorre soma das energias dos fótons, isso porque a radiação emitida pelas

fontes laser apresenta três características fundamentais:

Monocromática (fótons com mesmo comprimento de onda).

Coerente (fótons emitidos em fase)

Page 69: Biofísica Médica - Resumão

Colimada (fótons emitidos em uma mesma direção).

Para se produzir um raio laser é necessária uma fonte de energia (em geral uma

lâmpada de descarga) que excita átomos ou moléculas no interior de uma cavidade

ressoadora, constituída por duas superfícies com elevadíssimo poder de reflexão. O

choque dos átomos do meio com os espelhos através de reflexões sucessivas,

amplifica a luz e confere a ela as três características fundamentais.

4. CAMPO MAGNÉTICO

Aplicação: Exame complementar de imagem: ressonância magnética (RNM).

A RNM é fundamentada na propriedade inerente de alguns núcleos atômicos

de apresentar o fenômeno da ressonância e, em consequência, emitir sinais de

radiofrequência quando submetidos a campos magnéticos adequados (na

ressonância magnética os pulsos de radiofrequência são compostos por ondas

eletromagnéticas inofensivas). Tal propriedade é particularmente evidente nos

átomos de hidrogênio que compõem as moléculas de água.

Dessa forma, a RNM é capaz de distinguir tecidos com base no teor de água

que cada um possui.

A única restrição da RNM é a seguinte: o campo magnético de altíssima

magnitude é potencialmente perigoso para pacientes que possuem implantes

metálicos em seus organismos uma vez que o campo magnético pode,

eventualmente, causar o deslocamento de tais implantes, fazendo com que

eles saiam de seu lugar.

A evolução dos magnetos supercondutores usados para a ressonância nuclear

magnética permitiu o surgimento de um tipo ainda mais sofisticado de RNM,

que é capaz de, além de estudar a morfologia das estruturas, avaliar também

sua função; trata-se da ressonância magnética funcional (RMF). A RMF marca

as áreas metabolicamente ativas através de seu maior consumo de oxigênio.

Ao atravessar a rede de vasos capilares, a oxiemoglobina libera ,

transformando-se em desoxiemoglobina, cujas propriedades paramagnéticas

atuam no sentido de reforçar localmente os efeitos do campo magnético

externo, fornecendo uma imagem coloria das áreas mais ativas.

Page 70: Biofísica Médica - Resumão

QUESTÕES

1. O surgimento da ultrassonografia foi importante porque permitiu o exame não

invasivo de grávidas sem risco para o feto. Por que exames de imagem como o

raio-x são desaconselhados em gestantes?

2. Dê três exemplos de tecidos muito sensíveis a radiações ionizantes.

3. É muito comum a aplicação de gelo em pequenos traumas, dada sua eficiência

na redução da inflamação local. Isso é possível graças ao fenômeno da

hiperemia reativa. Explique esse fenômeno.

Page 71: Biofísica Médica - Resumão

SISTEMAS ADAPTATIVOS

I. INTRODUÇÃO

Processos adaptativos promovem a evolução dos sistemas para se tornarem

cada vez mais estáveis, porém mais distantes do equilíbrio.

A adaptação é um processo das coletividades.

Cada unidade dessas coletividades organiza com as demais inúmeros

microestados dinâmicos que sempre levam ao mesmo macroestado, longe do

equilíbrio (lembrando que um sistema estável longe do equilíbrio é um sistema que

demanda energia para se manter, ou seja, muito dispendioso e dissipativo.

II. COLETIVIDADES E NÍVEIS DE ORGANIZAÇÃO

Coletividade é o conjunto de partículas que compõem um sistema.

A parte (partícula) é menos estável do que o todo (sistema).

A adaptação é um processo desta coletividade: ou seja, é a manutenção do

sistema à custa do dinamismo das suas partículas.

III. ESTRESSE

Estresse é uma pressão à adaptação.

Não somos sistemas fechados ou isolados, estamos em contínua interação com

nossa circunvinhança. Esta imprime sobre nós diversos eventos transformadores que,

invariavelmente tendem a transformar nosso meio interno. Dependendo da natureza e

da intensidade dessa força extrínseca, o sistema pode se adaptar, mantendo sua

estabilidade ou não.

Estresse é qualquer evento ou elemento que promove a adaptação ou a

transformação do sistema.

Page 72: Biofísica Médica - Resumão

Contudo,

O estresse é uma ameaça à estabilidade do sistema.

Potencialmente, o sistema pode se adaptar ao estresse, como também o

sistema pode perder sua estabilidade.

IV. HOMEOSTASE E ALOSTASE

1. HOMEOSTASE

Claude Bernard cunhou o termo homeostase para definir o fenômeno de

estabilidade que se observa no meio interno em relação a diversas variáveis

fisiológicas.

Essa estabilidade não é espontânea, não é equilíbrio. Os processos

termodinâmicos pressionam violentamente os compartimentos internos do organismo

a entrar em equilíbrio entre si e o organismo como um todo a entrar em equilíbrio com

o meio ambiente. Para que isso não ocorra, o sistema tem uma alta demanda

energética, produz muita entropia, realiza muito trabalho.

Logo,

Homeostase é a constância dos meios internos à custa de trabalho do sistema.

2. ALOSTASE E RETROALIMENTAÇÃO

O termo alostase, proposto por Bruce McEwen, que literalmente significa

“diferente do constante” (alos = diferente; estase = constante), se refere aos

fenômenos de transformação, ativos e consumidores de grande quantidade de

energia, que remetem à homeostase, ou seja, a estabilidade do organismo como um

todo. Isto é,

Alostase é o processo de itinerância entre microestados para a constância do

macroestado.

Alostase é o trabalho do sistema com o objetivo de manter a homeostase.

Page 73: Biofísica Médica - Resumão

E, por falar em trabalho do sistema,

Carga alostática é a quantidade de energia despendida no processo de alostase.

Quem controla os mecanismos alostáticos? Respondemos seus próprios efeitos

no momento exatamente anterior. Se o mecanismo está “fraco”, o efeito ineficiente o

força a ser intensificado. Se o mecanismo está “intenso” demais, o excesso de efeito o

força a ser atenuado. Isso se chama retroalimentação (feedback).

O organismo vivo é um sistema auto-organizável. Todos os processo dinâmicos

do organismo são auto-regulados por mecanismos de retroalimentação.

Retroalimentação é um processo paradigmático para que qualquer sistema auto-

organizável possa manter sua estabilidade.

Retroalimentação é um mecanismo compensatório para sistemas auto-

organizáveis.

Os processos de retroalimentação, por serem compensatórios, têm um caráter

modulatório. Ou seja, o mecanismo direto de resposta do sensor do mecanismo

produz uma resposta inibitória para os sistemas alostáticos. Se eles trabalham pouco,

o mecanismo diminui sua resposta, liberando o sistema para trabalhar mais. Ao

contrário, se o sistema alostático está excessivamente ativo, a resposta do sensor

aumenta, freando o trabalho alostático.

Retroalimentação negativa remete ao controle modulatório da alostase.

Contudo, existem processo de retroalimentação positiva que, dinamicamente,

promovem a estimulação contínua da resposta alostática. Quanto maior essa

resposta, maior será o estímulo de retroalimentação.

3. CORROMPENDO A HOMEOSTASE

Doença é uma ruptura da homeostase produzida por mecanismos alostáticos em

resposta a uma injúria qualquer.

Page 74: Biofísica Médica - Resumão

Geralmente todo mecanismo alostático foi feito para atuar em um curto espaço

de tempo buscando a compensação orgânica. A ativação prolongada de um desses

mecanismos acaba por comprometer a economia do organismo como um todo.

Produzindo as doenças, os sistemas alostáticos podem desconstruir a ordem

orgânica comprometendo a estabilidade do sistema dissipativo, tornando-o

“disadaptativo” e promovendo a sua transformação em um sistema não-dissipativo que

caminhará para o equilíbrio termodinâmico – a morte.

As doenças comprometem a ordem intrínseca de um sistema adaptativo.

A maioria das medicações (excluindo antibióticos e outras exceções) nada mais

são do que bloqueadores de alostase.

QUESTÕES

1. Muitas doenças decorrem do desequilíbrio da homeostase. Explique o que é

homeostase.