Este documento descreve os principais tópicos abordados no curso de Biofísica, incluindo biofísica de membranas, potenciais bioelétricos, fluxos iônicos em membranas e transporte passivo através de membranas. O professor é Carlos Frederico Rodrigues e o curso é oferecido pela Universidade Estadual do Oeste do Paraná.

1. BIOFÍSICA
Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Professor: Carlos Frederico Rodrigues

2. I - CONTEÚDO
• Biofísica das membranas.
• Biofísica dos sistemas integradores.
• Estruturas fundamentais.
• Potencial hidrogeniônico.
• Radiobiologia.
• Potencial de ação neuronal.
• Sistema circulatório.
• Sistema respiratório e renal.
• Sistemas aquosos.
• Sistemas restauradores.
• Termodinâmica em sistemas biológicos.
• Traçando gráficos.

3. Biofísica das Membranas
• 1.Fluxos iônicos em membranas.
• 2.Fundamentos de físico-química.
• 3.Transporte passivo através de
membranas
• 4.Potenciais bioelétricos.

4. Fluxos iônicos em membranas.
• A membrana plasmática das células,
segundo Singer & Nicholson(1972),
consiste de uma bicamada fluídica de
lipídios na qual se inserem proteínas em
cada um dos seus lados (proteínas
periféricas) ou a atravessam inteiramente
(proteínas integrais)

6. Fluxos iônicos em membranas.
• A única via possível para o transporte de
íons são as proteínas.
• A matriz lipídica, devido a sua baixa
constante dielétrica em relação aos meios
intra e extracelulares, não permite o
transporte de íons através da sua
estrutura.

7. Fluxos iônicos em membranas.
• Transporte: carreadores ou bombas
(ATPase) e canais iônicos.
• Carreadores – Na-K nos músculos.
Movimento ativo através da membrana.
• Canais iônicos - canais de sódio, potássio,
cálcio e cloreto envolvidos com a gênese
da atividade elétrica nos tecidos
excitáveis.

8. Fluxos iônicos em membranas.
• Carreadores podemos citar o mecanismo
de troca do íon sódio pelo íon cálcio no
músculo e como exemplo de bombas
pode ser citada a ATPase sódio potássio
que mantém o gradiente eletroquímico
existente nas células às custas de energia
metabólica.

9. Fluxos iônicos em membranas.
• Os canais iônicos são usualmente
compostos de poucas moléculas de
proteínas e algumas vezes por apenas
uma única molécula. O canal contém um
poro aquoso (exterior hidrofóbico e interior
hidrofílico) que ao ser aberto, por
mudanças conformacionais na estrutura
da proteína, permite o fluxo de cerca de
100 milhões de íons por segundo através
da sua estrutura.

10. Fluxos iônicos em membranas.
• Os canais mostram uma outra importante
propriedade que é a sua seletividade
iônica. Isto significa que os canais podem
selecionar os íons que os atravessam,
permitindo que somente um tipo particular
de íon ( sódio, potássio, cálcio ,etc.) ou
uma certa classe de íons (cátions
monovalentes, cátions em geral, ânions )
o atravesse.

11. Fluxos iônicos em membranas.
• Os canais e carregadores são vias
passivas de transporte de íons ou seja ,
não requerem gasto de energia
metabólica oriunda do ATP (trifosfato de
adenosina) ou qualquer outro metabólito.

12. Fundamentos de físico-química.
• A matéria em seu estado natural é neutra e somente
quando ela interage surge carga nos corpos materiais. A
carga elétrica é decorrente do desequilíbrio no número
de prótons e neutros existente na matéria.
• Fenômenos elétricos ocorrem quando cargas de sinais
opostos são separadas.
• Assim, quando se deseja mover uma carga positiva do
pólo negativo para o pólo positivo de uma bateria,
necessitamos realizar trabalho contra a força do campo
elétrico gerado por esses pólos carregados.
• diferença de potencial (ddp)

13. Fundamentos de físico-química.
• Se eletrodos positivos e negativos são colocados numa
solução iônica (solução de Ringer ), Na+ , K+ e Ca++
movimentar-se-ão no sentido do pólo negativo e íons Cl-
no sentido do pólo positivo e uma corrente elétrica é dita
fluir através da solução do pólo positivo para o pólo
negativo.
• Michael Faraday denominou o eletrodo positivo de
ânodo e o negativo de cátodo. Na sua terminologia,
ânions fluem para o ânodo e os cátions para o cátodo e
a corrente elétrica do ânodo para o cátodo.
• A intensidade da corrente elétrica é determinada pela a
d.d.p. entre os eletrodos e a condutância da solução
eletrolítica.

14. Fundamentos de físico-química.
• A condutância elétrica é a medida da
facilidade da corrente fluir entre dois
pontos à diferentes potenciais elétricos . A
condutância entre dois eletrodos numa
solução salina pode ser aumentada por
adição de mais sal a solução ou a
aproximação entre os dois eletrodos. Por
outro lado, a condutância pode ser
reduzida se for colocado um não- condutor
entre os eletrodos, se forem afastados os
dois eletrodos, ou fazendo-se a solução
mais viscosa.

15. Fundamentos de físico-química.
• A energia disponível nas membranas celulares para realizar
transporte passivo advém do gradiente do potencial
eletroquímico do íon transportado. Contudo, uma questão ainda
precisa ser respondida : O que é gradiente de potencial
eletroquímico?
• Para entender o conceito de gradiente, considere uma
substância hidrossolúvel e não carregada colocada em água.
Nesta condição, ocorre um fênomeno conhecido como difusão,
que é caracterizado pelo fluxo do soluto para todos os pontos
da solução. Este fluxo só termina quando a concentração da
substância é a mesma nos diferentes locais da solução.
• Portanto, existem forças que deslocam as partículas do soluto
para que possa haver fluxo, e este fluxo termina, no equilíbrio,
quando não mais existem forças atuando nas partículas. Estas
forças advém do gradiente de potencial químico do soluto.

16. Fundamentos de físico-química.
• Uma outra situação é aquela na qual um
componente i (iônico) tem a mesma
concentração em todos os pontos da
solução, porém existe um campo elétrico
(gradiente de potencial elétrico) que induz
o componente i a migrar. Neste caso, o
fluxo do componente i é denominado de
migração iônica

17. Transporte passivo através de
membranas

18. A difusão através de membranas
• A difusão através de membranas segue as
mesmas leis da difusão num sistema
contínuo, porém o fenômeno só ocorre se
a membrana for permeável ao soluto que
está se difundindo.
• Portanto, neste caso , a existência do
gradiente de energia é uma condição
necessária porém não suficiente para que
o fenômeno da difusão ocorra. A questão
central nesta secção é o conceito de
permeabilidade.

19. A migração iônica através de
membranas
• A migração iônica através de uma
membrana também depende da
permeabilidade desta membrana.
• Esta também pode ocorrer por
mecanismos eletroquímicos – ativa.

20. Potenciais bioelétricos
1 - Potenciais de equilíbrio
Todos os sistemas movem-se no sentido do equilíbrio,
um estado onde o fluxo resultante de todas as forças
atuantes no sistema é nulo.
2 - Potenciais poliônicos
Se uma membrana for permeável a vários íons e estiver
banhada por soluções salinas de concentrações
diferentes em cada um dos seus lados, a difusão dos
íons devido aos seus gradientes de concentrações pode
gerar uma d.d.p. através da membrana.

21. Potenciais bioelétricos
• 3 - O potencial de repouso celular.
• As células apresentam uma diferença de potencial
negativa e constante entre o seu interior e o seu
exterior. Esta diferença de potencial, denominada
de potencial de repouso celular.
• Diferentes valores foram obtidos nos diferentes
tipos celulares, por ex., em células musculares
esta ddp é cerca de -90 mV, nos axônios dos
neurônios este valor é cerca de -60 mV.

22. Potenciais bioelétricos
• 4 - O potencial de ação
• Uma característica encontrada no sistema nervoso das diferentes
espécies animais é a sua capacidade de conduzir informação com
rapidez e eficiência.
• Estas informações são codificadas, através da modulação em frequência
de um sinal elétrico que é o impulso nervoso propagado.
• Este sinal propagado no nervo se caracteriza do ponto de vista elétrico
por uma abrupta alteração do potencial de repouso celular.
• Esta alteração rápida do potencial transmembrana é denominado de
potencial de ação e as correntes iônicas transmembrana que dão origem
a esta variação do potencial são as correntes de ação.

23. Potenciais bioelétricos
• A manutenção deste potencial de repouso nas
células não decorre de um estado de equilíbrio,
porém de uma condição estacionária.
• No estado de equilíbrio não há fluxo resultante de
uma certa espécie iônica através da membrana
porque não há gradiente de potencial eletroquímico
para aquela espécie iônica, enquanto no estado
estacionário não há fluxos resultantes de íons,
apesar de existir gradientes de potenciais
eletroquímicos para aquelas espécies iônicas.

24. Potenciais bioelétricos
• Os eventos que iniciam um potencial de ação nas
células excitáveis são denominados de estímulos e
podem ser de origem elétrica, hormonal, térmica,
mecânica, eletromagnética, química e outros.
• Seja qual for a origem do estímulo todos eles
sofrem um processo de transdução nos receptores
para um sinal elétrico.
• Este sinal elétrico é o agente responsável pelo
disparo da atividade elétrica nos tecidos excitáveis.

25. Potenciais bioelétricos
• Estímulos que são capazes de disparar potenciais de
ação propagados são aqueles cuja intensidade e
duração estão acima de um certo valor denominado de
limiar de excitabilidade celular.
• Os estímulos com essas características são
denominados de estímulos supralimiar e aqueles com
intensidade e duração insuficientes para produzir um
potencial de ação são denominados de sublimiares.
• O limiar de excitabilidade permite a célula funcionar
como um descriminador de sinal elétrico. Assim, apenas
estímulos com intensidade e duração que permitam
disparar um potencial de ação produzem transferência
de informação nas células excitáveis.

26. Potenciais bioelétricos
• O potencial de ação, ao contrário, é do tipo “ tudo ou
nada”, isto quer dizer que o estímulo ou é suficiente para
atingir o limiar de excitabilidade e disparar um potencial
de ação que se propaga ao longo da fibra excitável sem
variação da forma de onda e com velocidade constante
(tudo) ou então o estímulo é sublimiar e neste caso, não
dispara um potencial de ação (nada).
• Os estímulos sublimiares apesar de não produzirem
potenciais de ação podem sofrer somação com um outro
estímulo sublimiar e atingir o limiar de excitabilidade da
célula e, com isto, disparar um potencial de ação.

27. Potenciais bioelétricos
• Uma característica interessante das
células excitáveis é a sua incapacidade de
responder a novos estímulos durante a
fase inicial do potencial de ação.
• O intervalo de tempo no qual este
fenômeno ocorre, é denominado de
periodo refratário absoluto. Após este
período, um potencial de ação pode ser
deflagrado,porém em resposta a estímulos
muito intensos. Este período é
denominado de período refratário relativo.