Resumo de Biofísica II – AV1

Conceitos Básicos de biofísica

MATÉRIA – Tudo que ocupa lugar no espaço e possui massa (objetos, corpos, alimentos).

ENERGIA – Tudo que não ocupa lugar no espaço, não possui massa e é capaz de realizar trabalho (calor, luz, som,

trabalho físico).

ESPAÇO – pelas distâncias, áreas e volume dos objetos.

TEMPO – pela sucessão do dia e noite, pela espera dos acontecimentos e pela duração da vida.

A combinação dessas Grandezas Fundamentais dá origem a uma série de Grandezas Derivadas.

Massa: É a medida da quantidade de Matéria de um ser vivo. Sob a ação da gravidade, a massa exerce uma

Força, que é o peso. Os seres vivos variam largamente na escala de massa, indo desde vírus , com massas da

ordem de Kg, até baleias com massas de Kg. A unidade de massa molecular é o dalton.

Área: é o espaço ao quadrado. A unidade é m² mas pode usar cm².

Volume: espaço ao cubo. Usa-se m³ mas também cm³, litro e mililitro.

A viscosidade dinâmica é a resistência interna de um fluido, líquido ou gás. Esses atrito interno é visível no

escoamento de fluidos. Importante tanto no escoamento de líquidos como na circulação, na lubrificação de

articulações e na preparação de fluidos para uso biológico. Em biologia, é medido em poise.

A água a 37°C, tem 0,7 x poise,

O sangue humano, aproximadamente 2,8 x poise.

A 20°C esses valores são 0,01 e 0,04 poises, respectivamente.

( )

As unidades de tensão superficial são N/m ou J/m². A tensão superficial da água é de 71 dine/cm

aproximadamente 0,07 gramas/cm². Insetos que exercem peso menor que este pousam facilmente sobre a água,

mesmo que sejam mais densos. A tensão superficial tem importância primordial na troca de gases no pulmão.

Gravidade = 9,8 m/s²

Unidade: Newton

Unidade: Joule

Unidade: watts

Unidade Pascal

Unidade Pa.s

Temperatura é diferente de Calor. A temperatura é uma medida de intensidade de energia térmica. O calor é

medida de quantidade de energia térmica. A dimensão da temperatura é o θ (teta). Na prática, a temperatura é

medida em graus. Três escalas podem ser usadas: °C, °F e K. A quantidade de calor é medida em quilocalorias,

mas essa unidade deve ser abandonada em favor do Joule.

0ºC = 273K 100ºC = 373K

Soluções e Suspensões

Dispersão: Sistema no qual uma substância (disperso) encontra-se disseminada, na forma de pequenas partículas

no interior de outra (dispersante). Podem ser de acordo com o tamanho da partícula: soluções (1 nanômetro),

coloides (1-10³ nanômetro) e suspensões (acima de 10³ nanômetro).

Coloides: Disperso é constituído por aglomerados de átomos, moléculas ou íons ou, até mesmo, por

macromoléculas; Partículas do disperso são visualizáveis em equipamentos óticos (microscópios) de alta resolução

(ampliação); Partículas podem ser separadas por ultracentrifugação (elevado número de RPM) ou por

ultrafiltração (filtros cujo diâmetro do poro é bastante reduzido);

Suspensão: Partículas dispersas têm diâmetro maior que 100 nm são agregados de moléculas ou de íons;

Sedimentam-se pela ação da gravidade ou dos centrifugadores comuns; São retidas pelo filtro comum e são

detectadas a olho nu ou com o auxílio de microscópios comuns.

Soluções: Soluto é constituído de átomos, íons ou pequenas moléculas. É um sistema homogêneo, sendo que as

partículas não são visíveis mesmo com equipamentos óticos de alta resolução e ampliação; Não há sedimentação

das partículas e não é possível a sua separação por nenhum tipo de filtro; A disseminação do soluto no solvente

ocorre de forma espontânea.

Exemplos: sacarose em água, NaCl em água, etanol em água, atmosfera (isenta de poeira), etc.

Soluções iônicas (eletrolíticas – soluto é um composto iônico. Ex: agua mais sal de cozinha)

Soluções moleculares (não eletrolíticas – soluto é composto molecular. Ex: água mais açúcar)

Coeficiente de solubilidade (CS) ou de saturação é a quantidade máxima de um soluto sólido que pode ser

dissolvida em certa quantidade de solvente a dada temperatura.

Soluções: Diluídas, concentradas, saturadas (número de soluto igual ao CS) e supersaturadas.

Para solutos sólidos, o aumeto da temperatura provoca aumento na solubilidade. Esse efeito varia de substância

para substância e pode ser facilmente evidenciado em diagramas de solubilidade.

Para substâncias gasosas o aumento da temperatura diminui a solubilidade.

Unidades de massa

grama = 10³ miligramas

quilograma (kg) = 10³ gramas

miligrama = gramas = kg

Unidades de volume

Litro = 10³ mililitros = dm³

m³ = 10³ litros

mililitro = cm³ = litro

Concentração comum = massa / volume

Título = massa do soluto/ massa da solução T% = T.100

Título em volume = Volume do soluto/ volume da solução

Concentração molar (M) = número de mols do soluto/ volume da solução (V)

Concentração comum / Titulo em massa = densidade

Diluição: adição de solvente mantendo constante a quantidade de soluto M. V = M’ . V ’

Mistura de soluções com mesmo soluto: M.V + M’.V ’ = M’’ . V ‘’

Mistura com solutos diferentes: Nesse caso adiciona-se uma solução sobre a outra e o ponto final da reação

pode ser visualizado pela adição de um indicador ácido-base

pH e Tampão

A concentração de H+ nas células e líquidos biológicos influencia a velocidade das reações químicas, a forma e a

função das enzimas assim como de outras proteínas celulares e a integridade das células.

Ácidos: Conceito de Arrhenius: solução aquosa que libera como cátion o H+

Conceito de Bronsted Lowry: doador de prótons, substância que transfere próton para outra

Bases: Conceito de Arrhenius: substância que em solução aquosa libera ânion hidroxila

Conceito de Bronsted Lowry: receptor de prótons, recebe próton do ácido.

pH = -log [H+]. O pH normal do sangue é 7,4 e pode sofrer variações até no máximo 0.4 para mais ou para menos.

Indicadores de pH são corantes

utilizados para determinar o valor de

pH. Ex: Fenolftaleína: incolor quando

ácido e vermelho/violeta quando básico

Efeito do íon comum: a extensão da

ionização de um eletrólito fraco é

diminuída pela adição à solução de um

eletrólito forte no qual há um íon

comum com o eletrólito fraco. A

ionização de uma base fraca também

diminui com a adição de um íon comum.

Por exemplo, a adição de faz com

que o equilíbrio de dissociação de

desloque para a esquerda, diminuindo a

concentração de OH- no equilíbrio e

abaixando o pH.

Tampão: soluções formadas por um ácido fraco e sua base conjugada ou até por um hidróxido fraco e seu ácido

conjugado. Os tampões resistem mais eficazmente à variações de pH em qualquer sentido quando as

concentrações de ácido fraco e base conjugada são aproximadamente as mesmas.

Características de tampão:

Capacidade de tampão: é a quantidade de ácido ou base que um tampão pode neutralizar antes que o pH

comece a variar a um grau apreciável. Depende da quantidade de ácido e base da qual o tampão é feito.

pH: Depende da Ka para o ácido e das respectivas concentrações relativas de ácido e base que o tampão

contém. Quanto maior as quantidades do par ácido-base conjugado, a razão de suas concentrações, e,

consequentemente o ph, se tornam mais resistentes às mudanças.

pH = pKa + log

A- aceptor de H+ (sal) HA Doador de H+ (ácido)

Poder tamponante de um sistema tampão pode ser definido pela quantidade de ácido forte que é necessário

adicionar parar fazer várias o pH de uma unidade.

Sistemas reguladores de pH: sistemas químicos dos líquidos corporais, centro respiratório que regula a remoção

de CO2 do líquido extracelular, os rins que agem reabsorvendo o bicabornato filtrado ou eliminando o H+ por

outros sistemas como o fosfato e amônia.

Membrana Plasmática

Bicamada lipídica, constituída por dois folhetos, um interno e um externo, constituídos por fosfolipídios,

colesterol e glicoproteínas. Existem proteínas transmembranas e periféricas.

Lipídios: os lipídios de membrana são moléculas longas com uma extremidade hidrofílica e uma cadeia

hidrofóbica, ou seja são anfipáticas. São eles: fosfoglicerídeos, esfingolipídios, glicoesfingolipídios e colesterol.

Proteínas podem ser:

Integrais ou intrínsecas: estão firmamente associadas aos lipídios só são separadas por detergentes, são

a maioria. As que atravessam a membrana são chamadas de transmembrana ou transmembrana de

múltipla passagem, se atravessar mais de uma vez.

Periféricas ou extrínsecas: podem ser isoladas facilmente pelo emprego de soluções salinas.

Funções da Membrana:

Manutenção da integridade da estrutura da célula

Controle da movimentação de substancias para dentro e fora da célula

Regulação das interações celulares

Reconhecimento através de receptores de antígenos de células estranhas e células alteradas

Interface entre o citoplasma e o meio externo

Estabelecimento de sistemas de transporte para moléculas específicas

Propriedades da Membrana:

Especializações da membrana:

Cílios: móveis

Estereocílios: não movimentam, aumentam a superfície celular

Flagelos: móveis

Microvilosidades: aumentam a superfície de absorção, imóveis

Cobertura da membrana:

Glicocálix: participam da adesão e reconhecimento celular, determinação do grupo sanguíneo, inibição por

contato e proteção da superfície celular às lesões mecânicas e químicas. (célula animal)

Parede celular (cél vegetal e procariontes)

Transportes pela membrana:

Permeabilidade celular a moléculas pequenas hidrofóbicas e polares não-carregadas

Transporte passivo: só usa energia cinética das moléculas

1. Osmose: água passa do meio hipotônico para o hipertônico por uma membrana semipermeável.

Processo termina na isotonicidade.

2. Difusão: O soluto passa da solução mais concentrada para a menos concentrada. Quando maior a

diferença de concentração mais rápido é o transporte.

3. Difusão facilitada: auxílio de carreadores ou canais específicos (proteínas intrínsecas – permeases).

A movimentação é da mais pra menos concentrada e a velocidade depende do numero de permeases.

Transporte ativo: usa energia do sistema

(ATP)

Passagem de soluto do meio hipotônico

para o hipertônico através de uma

membrana permeável com o auxílio de

proteínas transportadoras. Ocorre

contra o gradiente de concentração,

utiliza permeasse.

Ex.: Bomba de Na+ e K+: o sódio se

encontra em alta concentação fora da

célula e o potássio dentro da célula

1. Uniporte: transportadores que

carregam um único soluto em uma

única direção

2. Simporte: dois solutos na mesma

direção

3. Antiporte: dois solutos, direções

opostas.

Endocitose: células captam macromoléculas, substâncias particuladas e, em casos especializados outras células.

Dois tipos:

Fagocitose: ingestão de partículas grandes como microrganismos e pedaços de células, via vesículas

grandes denominadas fagossomos.

Pinocitose: ingestão de fluidos e solutos através de vesículas pequenas.

Exocitose: Quando a transferência de macromoléculas dá-se do citoplasma para o meio extracelular.

Bioeletrogênese

É a capacidade de gerar e alterar a diferença de potencial elétrico através da membrana

Canais iônicos são canais hidrofílicos formados por proteínas transmembrana que possuem estrutura

tridimensional, formando poro para condução, reconhecimento e íons específicos. A ativação de um canal iônico

envolve mudanças conformacionais.

Tipos de canais iônicos:

1. Sem comporta: estão permanentemente abertos

2. Com comporta: abrem-se mediante estímulos específicos. Podem abrir-se de maneira direta ou indireta.

Diferença de Potencial elétrico (Em)

- A alteração do potencial elétrico (excitabilidade) é causada por movimentos de íons através de canais iônicos

situados na membrana citoplasmática.

O potencial de equilíbrio do íon K é o principal responsável pela geração do potencial de repouso das células

nervosas (e demais células). Os íons Na e Ca não contribuem para a geração do pot. de repouso pois, durante a

fase de repouso, as respectivas permeabilidades são baixas.

O potencial de ação é a alteração transitória na diferença de potencial elétrico de membrana de neurônios e

células musculares, cuja duração e amplitude são fixas. O PA serve para estimular a contração muscular, a

liberação de neurotransmissores e a secreção de outras substâncias por células neurais e neuroendócrinas. Uma

vez iniciado o potencial de ação é impossível impedí-lo de ocorrer.

Doenças e defeitos estruturais dos canais iônicos: Os canais iônicos são frágeis a qualquer mudança brusca que

ocorra em seu meio, indicando que as enfermidades desses canais podem ocorrer por diferentes razões. Pode

ser por mutação, sistema de regulação anômalo, entre outros.

1. Defeito nos canais de Ca: miastenia – doença neuromuscular que causa fraqueza e fadiga rápida dos

músculos voluntários, anormalmente.

2. Defeito nos canais de Cloreto e Sódio: Doença de Becker – comprometimento cardíaco, caracterizado

por arritmia e/ou insuficiência cardíaca. Doença de Thomsen – distúrbio raro. Os músculos são incapazes

de relaxar, tornando mãos, pernas e pálpebras muito rígidas

3. Defeito nos canais de potássio: Sindrome de Andersen – doença caracterizada pela presença de paralisia

periódica, arritmia cardíaca e anormalidades dismórficas.

Contração muscular

Tecido muscular : Permite a locomoção e movimentos do corpo, movimento dos órgãos internos, postura e

equilíbrio, produção de calor e proteção como um todo.

-Existem três tipos de músculos, o liso, estriado esquelético e estriado cardíaco

1) Músculo liso: Sua contração e lenta, fraca e involuntária. Possui corpos denso, células fusiformes e

mononucleadas e não possuem sarcomero e troponina. Ex: Músculo cliliar do olho

2) Músculo estriado cardíaco: Contração involuntária. Possui fibras ramificadas com estrias transversais.

Possuem núcleo central, sendo mono ou binucleadas. Presença de discos intercalares, para a ocorrência de

impulsos homogêneos. Ex: coração

3) Músculo estriado esquelético: Contração voluntária. Possui fibras longas e cilíndricas, com estrias

transversas. Possuem núcleo periférico e multinucleado.Ex: Músculo peitoral maior

Tipos de contração:

- Dinâmica: Movimento articular observável. Subdividido em

Concêntrica : Encurtamento do músculo durante a contração. A origem e a inserção de aproximam, promovendo a

aceleração do movimento do corpo. Ex: músculo quadríceps quando um individuo esta se levantando de uma

cadeira. Esse tipo de contração aumenta a absorção de oxigênio, aumentando a intensidade do exercício. Essa

forca aumenta com velocidade baixa e gasta 6 x mais energia que a concentração excêntrica.

Excêntrica: Quando um músculo alonga-se durante a contração (dinâmica negativa). A origem e a insercao se

afastam, promovendo a desaceleração dos segmentos do corpo, fornecendo absorção de choque

(amortecimento). Ex: Quadríceps quando o músculo esta sendo abaixado para sentar. Possui maior exigência

muscular, menor gasto energético e aumenta com velocidades maiores.

Isotônica: Esforço muscular e constante através de toda excursão muscular.

Isocinetica: Ocorre em uma velocidade de movimento constante (a produção de forca depende da velocidade de

movimento)

- Estática (isométrica): Ausência de movimento articular observável, no momento em que o músculo se contrai.

Manutenção do mesmo comprimento muscular.

Mecanismos que permitem a contração muscular dentro das células: Actina, miosina, troponina e tropomiosina.

Mecanismo de contração: A ação responsável pela contração do músculo ocorre dentro do sarcomero, com as

pontes cruzadas dos filamentos de miosina, que puxam e soltam, reconectando-se aos filamentos de actina. A

contração se inicia com a saída do impulso elétrico do SN, que será conduzido por um nervo ate o músculo. Esse

estimulo desencadeia a ocorrência do potencial de ação, permitindo a entrada de Ca++ no sarcoplasma e a saída

de K+ da mesma. Na presença do Ca++ , que ira se ligar a troponina, a troponina será liberada, permitiando que

abertura da região onde ocorre o deslizamento dos filamentos de miosina sobre os filamentos de actina. Esse

processo só ira ocorrer na presença de ATP

Bioenergética

A bioenergética estuda os fenômenos de transferência de energia para o trabalho celular dos seres vivos,

descrevendo como os seres captam, transformam e usam essa energia. Estuda aspectos energéticos a nível

molecular e celular, enfatizando as interações moleculares, ATP como molécula armazenadora de energia,

biocatálise e reações acopladas.

Trabalho químico: síntese de componentes celulares

Trabalho osmótico: Acumulo e retenção de sais e de outras substancias contra o gradiente de concentração

Trabalho mecânico: Contração muscular e movimento dos flagelos.

Lei da conservação de energia (Lavoisier): Nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.

Exergônico= delta G negativo Endergônico: delta G positivo

Entropia: Tendência a desordem

Conservação da energia: Energia mecânica (potencial gravitacional e cinética) A = Energia mecânica de B. Possui-

se energia mecânica quando se tem altura e energia cinética quando se tem velocidade.

Energia dos nutrientes

Energia química sendo convertida em trabalho biológico.

- A conversão de energia na célula e feita por meio da fotossíntese (realizada por organismos produtores,

ocupando o primeiro nível trófico) e por meio da respiração (realizada por meio de organismos produtores e

consumidores)

- A atividade física e qualquer movimento realizado pelo musculatura energética, gerando trabalho. Existem dois

tipos de obtenção de energia, a aeroia (baixa intensidade e longa duração) e anaeróbia (alta intensidade e baixa

duração)

Existem alguns fatores que iram maximizar a conversão de energia química em trabalho mecânico, dentre elas a

presença de enzimas, que irão catalisar as reações, temperatura e PH ótimo e co-enzimas, que facilitam a ação

enzimática.

Metabolismo

Soma de todas as reações enzimáticas que ocorrem na células, de um modo um tanto quanto coordenado. Existem

alguns fatores que regulam essas vias metabólicas, dentre eles a velocidade de catabolismo e anabolismo, ação

de enzimas (inibidas pelos produtos finais), controle energético da velocidade de síntese enzimática e controle

hormonal.

ATP > ADP + Pi Ocorrendo na degradação de nutrientes, liberando energia

A síntese de ATP possui duas vias para serem produzidas, tanto pela via anaeróbia (glicolise), dando origem a

fermentação lática, e por via aeróbia (glicolise + ciclo de Krebs + cadeia transportadora de e - via oxidativa)

No metabolismo energético animal se utiliza energia termina e luminosa, proveniente do sol, para a realização da

fotossíntese. Já no metabolismo animal se utiliza energia térmica, mecânica, elétrica e química, proveniente dos

alimentos.

Trabalhos biológicos: Digestão, absorção e assimilação de nutrientes, secreção de hormônios, manutenção dos

gradientes eletroquímicos, transmissão dos impulsos nervosos e síntese de novos compostos químicos.

- As reações celulares são acopladas, ou seja, a energia liberada em uma reação e utilizada para desencadear a

reação seguinte.

ATP: O ATP vem de macronutrientes, tal como os carboidratos (glicose), gorduras (acido graxo) e proteínas

(aminoácidos).

- Calor e a energia térmica em transito, motivada por uma diferença de temperatura, sendo transferida da

região mais quente para a região mais fria. Existem três tipos de transferência de calor, sendo elas a condução,

convenção e irradiação.

1) Condução: E a propagação de calor, em que a energia térmica passa de partícula em partícula, sem transporte

de matéria. Ocorre normalmente nos metais. Exemplos de isolante térmico: água, gelo, ar, isopor

2) Convenção: E a propagação de calor com transporte de matéria, ocorrendo somente nos líquidos e gases. Ex:

Ar frio desce e ar quente sobe, promovendo uma corrente de convenção, fazendo com que a água se aqueça como

um todo.

3) Irradiação térmica: E a propagação de calor através das ondas eletromagnéticas, principalmente os raios

intravermelhos (chamados de ondas de calor). Ocorre inclusive no vácuo. Ex: Estufa, feita de vidro, que e

transparente para a energia radiante do sol e opaco as ondas de calor emitidas pelos objetos dentro da estufa,

mantendo o interior da estufa a uma temperatura maior do que no meio externo.

A garrafa térmica possui esses três princípios: As suas ampolas de vidro evitam a irradiação, alem de possuir

nessa ampola duas paredes, com vácuo entre elas, impedindo a ocorrência da convenção e condução.

Biofísica das trocas de calor corporal

As fontes de energia podem ser químicas (combustão e reações exotérmicas), mecânica (atrito entre as

moléculas, que transforma energia cinética em energia térmica), elétrica (correntes elétricas) e magnética

(transformação de energia eletromagnética em energia térmica).

- As fontes caloríferas podem ser radiantes, condutoras, conversoras e conectivas.

Termogenese: O controle da temperatura do organismo e realizado pelo hipotálamo. Lesoes na região anterior

do hipotálamo geram hipertemia e na região posterior geram hipotemia.

- Manutenção da homeotermia, composto por termogenese mecânica (calafrio, por uma exposição súbita ao frio)

e química (sendo mais lenta e mais importante na manutenção da temperatura corpórea, por meio do metabolismo

de carboidratos, lipídeos e proteínas)

- O controle do metabolismo e feito por meio da perda (termolise- dependendo da superfície corporal e

gradiente de temperatura entre a pele e o meio) e ganho (termogenese) de calor.

Fatores que alteram a temperatura corporal: ritmo nictemeral, esforço físico, idade, ambiente, ciclo mestrual e

doenças mentais.

- A febre possui como principal característica a hipertemia. Existem três tipos de febres, a continua,

intermitente (libercao de toxinas e restos celulares) e a remitente.

- Fatores que provocam a quebra do equilíbrio do centro termorregulador: Processos infecciosos,

imunoalergicos, tumores malignos, queimaduras, infartos, etc.

Reações fisiológicas ao calor:

- Ação tissular: O organismo reage ao calor aumentando a liberação de acetilcolina, que promove a vasodilatação,

facilitando o fluxo sanguíneo. Favore também a liberação de substancias indesejáveis e e a migração dos

macrófagos, combatendo processos infecciosos.

- Ação sistêmica do calor: A alta temperatura do ambiente contribui para aumentar a temperatura corporal,

aumentando o fluxo de sangue, o que aumenta o metabolismo celular, consumo de oxigênio e as trocas

hidroeletroliticas, favorecendo a liberação de sais através de suor, favorecendo a liberação de produtos

indesejáveis pelo organismo.

- Termoterapia: Indicada em doenças inflamatórias da articulação, estiramento, contusões musculares e

processos inflamatórios da pele.