Apostila de Biofisica-estágio 1.doc

Paulo RamosBiofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Paulo Alberto de Lima Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde 2011 1 Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde PRIMEIRAS PALAVRAS Este texto foi organizado para servir como fonte de informação teórica para o programa de Biofísica oferecido aos estudantes do Curso de Medicina do Centro de Ciências Biológicas e da Saúde da Universidade Federal de Campina Grande. A sua elaboração deve-se a necessidade de um texto único que cumpra às exigências do programa que ora estudamos. Atualmente, dispomos de grande número de livros para o estudo da Biofísica, embora nenhum deles cumpra às especificidades de cada programa oferecido pelos diversos cursos de Biofísica. Este fato resulta da multiplicidade de aspectos e da abrangência de conteúdos que podem ser abordados pela Biofísica. Alguns livros disponíveis tratam os assuntos de modo amplo e superficial, outros discutem tópicos específicos com um grau de complexidade maior que as necessidades de um aluno de graduação, enquanto outros são adequados, mas optam por grupos de conteúdos que não satisfazem às necessidades do nosso programa. A constatação desses fatos nos estimulou a organizar este texto que não pretende ser definitivo, antes um espaço em contínua transformação, adaptando-se às necessidades do Curso de Medicina e da formação médica básica. No estudo dos fenômenos biológicos, a Biofísica se superpõe ao realizado por outras ciências, particularmente a Biologia, Bioquímica e a Fisiologia, dado o seu caráter multidisciplinar. Dessa forma, não se pode estabelecer um limite preciso nas áreas de atuação de cada uma dessas especialidades. Ao contrário, esta integração deve ser estimulada, permitindo uma visão mais ampla de cada conteúdo abordado. O modo de como a Biofísica deve ser estudada é outro aspecto a ser considerado. Neste texto, optamos pela simplificação na análise dos fenômenos, as formulações e os gráficos são apresentados quando imprescindíveis para a melhor compreensão de tópicos específicos. Na escolha dos temas prevaleceu o caráter básico e multidisciplinar da Biofísica, permitindo a sua integração com outras disciplinas, servindo de suporte ou complemento de seus conteúdos. Paulo A. L. Ramos 2 Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde ÍNDICE Página MÓDULO 1 1. Introdução à Biofísica 2. Manometria. Sistemas de infusão e drenagem de compartimentos biológicos 3. Biofísica da água 4. Estudo das dispersões 5. Ácidos, bases, sais e pH de soluções 6. Líquidos corporais e equilíbrio hídrico entre compartimentos líquidos corporais 7. Termometria. Regulação da temperatura corporal 8. Fenômenos de superfície 4 14 22 25 37 47 53 63 3 em torno de dez ou vinte bilhões de anos atrás. expulsa em vez de atrair as partículas presentes em seu campo. apenas um plasma fervente constituído de elétrons. O tempo teve início no momento do Big Bang. fragmentada na grande explosão. o Big Bang. a energia positiva da matéria foi equilibrada pela energia negativa do campo gravitacional. A partir daí. Antes deste momento inicial só havia o vazio. A matéria ordinária só apareceria cerca de 300. por um processo no qual o colapso da onda energética permitiu a formação de partículas. As primeiras partículas teriam surgido de uma simples flutuação de vácuo e. Nesse momento. Quando a matéria gerada é de um tipo especial de flutuação de vácuo. as galáxias distantes estão se afastando da nossa. houve um tempo. os objetos estariam muito próximos uns dos outros.000 anos mais tarde. A teoria do Big Bang pressupõe que toda a matéria. O tempo era uma propriedade do universo que não existia antes do seu começo. pósitrons. partículas ínfimas com carga elétrica inferior à do elétron. no momento inicial. A teoria de Ruth afirma que. concentrados em um ponto de extrema densidade e altíssima temperatura. em bilionésimos de segundo. de modo que a energia total foi sempre zero. em qualquer lugar para onde se olhe. o universo está em expansão. que o universo fora infinitesimalmente pequeno e infinitamente denso. concebida por Allan Guth. Isso teria ocorrido há cerca de 15 bilhões de anos.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Capítulo 1 INTRODUÇÃO A BIOFÍSICA Origem do Universo. em algum momento do passado. cuja explosão. ainda não existiam átomos e moléculas. teriam começado a se combinar. e em uma forma diferente do estado que a conhecemos atualmente. ou seja. essa energia pode ser convertida em matéria sob condições incertas e incontroláveis. A teoria dos fenômenos iniciais. ocupando um ponto. dotada de gravidade negativa. provavelmente. Em cerca de um centésimo de segundo após o Big Bang. o material de gravidade repulsiva se expandiu sem perder densidade. de matéria. Neste caso. explica que no vazio. em seguida. Enquanto o universo esfriava para cerca de um bilhão de graus. ao contrário da gravitação normal. gerando uma enorme massa de quarks. formados pelos prótons e nêutrons. ocorreu o Big Bang e a expansão teria prosseguido em outro ritmo. a temperatura teria alcançado 100 bilhões de graus. apenas energia de alta frequência. Esse fato permitiu deduzir que. até hoje. Formou-se então uma massa de gás à altíssima temperatura. Na origem do Universo. apenas bastante comprimida. bastaria que se formasse uma parte de apenas um bilionésimo de um próton. impulsiona os fragmentos em direção ao infinito. já se encontrava lá. ou seja. como é o caso da súbita variação de um campo elétrico ou flutuação de vácuo. prótons e nêutrons não tendo mais energia suficiente para escapar da força nuclear forte. As primeiras partículas se materializaram. hélio e outros elementos 4 . Portanto. não há espaço nem matéria. quando o universo já havia esfriado o suficiente para permitir que elétrons livres se combinassem com núcleos atômicos. prótons. Neste modelo. para que a expansão da matéria tivesse início por conta da repulsão interna. Pelas leis da relatividade e da mecânica quântica. no universo primitivo. Edwin Hubble observou que. para produzir átomos de hidrogênio. Em 1929. se expandiram a uma velocidade espantosa formando assim a aglomeração que seria. neutrinos e partículas subatômicas polarizadas. O universo começou em um tempo não muito distante e finito no passado. esse fenômeno teria ocorrido no período de 10 -37 a 10-34 segundo. localizada perto do limite mais interno de um dos braços espirais. da massa de moléculas inanimadas de carbono surgiu vida. grosseiramente. A velocidade de expansão estaria acima de uma determinada velocidade crítica. seu interior quente vive vazando por vulcões e agredido pelos tórridos raios solares. por isso. As estrelas em seus braços espirais giram em torno de seu centro. em média. O sistema solar organiza-se em torno de uma estrela comum. impulsionando para o espaço o gás condensado no seu entorno. o universo continuaria a se expandir para sempre.1. Forma-se a camada de ozônio. onde a gravidade não seria capaz de pará-lo e iniciar um processo inverso. o mesmo em todas as direções. com amplas extensões de espaço vazio entre elas. foi aos poucos diminuindo. só se formaram bilhões de anos mais tarde. como o carbono e oxigênio. amarela e de porte médio. ainda novo. além de espalhar átomos mais pesados. pela queima do hélio no centro das estrelas. a matéria da explosão de estrelas. guarda o calor da explosão estelar e. matéria e energia da explosão inicial. Origem da terra e dos seres vivos. a temperatura se eleva originando os processos termonucleares. a Via Láctea. os elementos mais pesados dos quais somos constituídos. Aspecto de uma galáxia espiral como a Via Láctea. uma vez a cada muitas centenas de milhões de anos.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde leves. As primeiras galáxias acabaram colidindo e se fundindo em grandes aglomerados de estrelas. O universo é. Há dois bilhões de anos. O planeta. Há 3. Há quase cinco bilhões de anos. O planeta Terra está situado em uma galáxia de configuração discóide designada de galáxia espiral. organizadas em modelos simples.5 bilhões de anos. espalhada pelo espaço começou a se juntar atraída pela gravidade formando pedaços cada vez maiores. No entanto. que torna os raios solares menos nocivos e permite o 5 . enquanto o planeta esfriava. o Sol. cada uma delas contendo algumas centenas de milhares de milhões de estrelas. Figura 1. portanto. A força da gravidade determinou a origem das estrelas e das galáxias. cósmica e geológica. Durante a enorme contração gravitacional das estrelas. Os primeiros astros possuíam massa enorme e brilhavam intensamente.1). com aproximadamente cem mil anos luz de diâmetro e rotação lenta (figura 1. Inicialmente moléculas orgânicas simples. Está constituído por centenas de milhares de milhões de galáxias. dando origem ao planeta Terra. em um canto da Via Láctea. O planeta era então bombardeado constantemente por meteoros. Essa primeira geração de estrelas se desintegrou. de contração. A distância entre as diferentes galáxias aumenta constantemente a uma taxa de 5 a 10% de seu tamanho a cada bilhão de anos. a agitação. O universo está em expansão com todas as galáxias se deslocando em oposição direta uma das outras. possibilitou a formação da segunda geração de estrelas. Os insetos também se diversificam muito. também. Composição dos Seres Vivos. À medida que o objeto se aproxima da velocidade da luz. cobre. A composição e a estrutura do universo e dos seres vivos são bastante complexas. 0. elas podem ser reduzidas a quatro componentes: a matéria. os mamíferos passam a predominar. selênio. alumínio. potássio.08% de sódio. o espaço e o tempo. Estas grandezas naturais definem a composição e os fenômenos que ocorrem no universo de maneira qualitativa. 25.13% de fósforo. 0. oxigênio. A vida vai. Na Terra não existem dois organismos iguais. o objeto nunca poderá alcançar a velocidade da luz. surgem os mamíferos e as plantas ganham flores. Os répteis aparecem há 300 milhões de anos e. O organismo humano contém 60. Portanto. a massa (m) e a velocidade da luz (c) é tão grande que a uma pequena quantidade de massa equivale uma grande quantidade de energia. 0. qualidades ou dimensões fundamentais. Há um bilhão de anos atrás. se tornam maiores e mais diversificados e as aves também se espalham. são componentes indissociáveis. zinco. também denominados grandezas. cobalto. O homem surge faz apenas 100. fundamentais. a energia. O excesso de hidrogênio e oxigênio se deve a grande quantidade de água na composição dos organismos. zinco. flúor e iodo. sendo estados diferentes da mesma grandeza fundamental. aparecem as células mais complexas. que nada pode se deslocar com velocidade maior que a da luz. matéria e energia são equivalentes. selênio e até o molibdênio. Os dinossauros passam a ocupar todos os continentes. Estes componentes não podem ser substituídos por outros. Os continentes são habitados por muitas plantas primitivas. tomam todo o planeta. estando relacionados diretamente pela equação da equivalência entre a massa e a energia: E = m. A relatividade prevê. pequenas quantidades de outros metais. A mesma origem da matéria viva. que possuem todas as organelas.56% de hidrogênio.44% de nitrogênio. Há 200 milhões de anos.23% de cálcio. No entanto.03% de cloro e 0. Isto se explica pela variabilidade genética e pelas diferenças na interação com o meio ambiente. Com a extinção dos dinossauros. Assim. aos poucos. A variedade de vida aumenta de uma maneira impressionante. 10. os vertebrados saem do mar e surgem os anfíbios.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde surgimento de formas de vida mais complexas. tomando o planeta. Há 350 milhões de anos. de forma que ele gasta cada vez mais energia para aumentar ainda mais a sua velocidade.68% de carbono. há 65 milhões de anos. magnésio e cloro e exercem um papel importante. Esta energia dificultará o aumento da velocidade deste objeto. protegida do sol pela camada de ozônio. porque. As moléculas biológicas estão constituídas por átomos leves (carbono. 0.67% de oxigênio. sua massa aumenta sempre mais rapidamente. Além disso. A relação entre a energia (E). surgem há 600 milhões de anos.04% de potássio. Na atualidade. Por causa da equivalência entre massa e energia. sendo. 6 . cálcio. o desenvolvimento evolutivo de cada ser vivo é parte da evolução do universo em seu conjunto e parte do desenvolvimento da Terra. nos organismos é universal a importância funcional de íons sódio. fósforo e enxofre).13% de enxofre. 0. Os seres vivos são constituídos pelos mesmos componentes do planeta Terra e de todo o Universo.01% de magnésio e menores quantidades de ferro. 0. todos invertebrados. em seguida. De acordo com a relatividade de Albert Einstein. 2. a energia de um objeto devido a seu movimento será acrescentada à sua massa. Os oceanos são povoados por grande diversidade biológica. mas não universal.000 anos. Os organismos multicelulares. são conhecidas três milhões de espécies diferentes. portanto.c 2. nitrogênio. como o ferro. Uma consequência importante da Teoria da Relatividade é a relação entre massa e energia. hidrogênio. O sistema de medida oficialmente recomendado é o Sistema Internacional (SI). a estrutura do espaço-tempo afeta a forma como os corpos se movem e as forças atuam. o quilograma (kg) para a quantidade de matéria (massa) e o segundo (s) para o tempo. entre todas as grandezas físicas possíveis. Para se definir uma grandeza física devemos estabelecer uma série de procedimentos para medir esta grandeza e atribuir-lhe uma unidade. utilizando os sistemas de medidas e o sistema numérico. denominadas fundamentais. sem que fossem afetados pelo que nele acontecesse. e sim que eles se combinam para formar um elemento chamado espaço-tempo. corrente elétrica. 7 . sua massa teria atingido o infinito e. quantidade de substância e intensidade luminosa. segundo). tendo por base os trabalhos de conferências e comitês internacionais. o espaço e o tempo são considerados quantidades dinâmicas: quando um corpo se move. a maioria das pessoas crê que o tempo é independente e completamente separado do espaço. segundo) ou o CGS (centímetro. Uma vez definidos esses padrões. é realizada pelo homem com o objetivo de compreendê-los. ou seja. sendo curvo ou arqueado pela distribuição de massa e energia. Sistemas e padrões de medidas. O espaço e o tempo não apenas influenciam como. um pequeno número delas. a gravidade seria uma consequência do fato de o espaço-tempo não ser plano. afeta a curva do espaço-tempo e. qualquer objeto normal está para sempre confinado pela relatividade a se movimentar em velocidades mais baixas que a da luz. O espaço e o tempo eram considerados como palcos fixos nos quais os eventos do Universo ocorriam. estaria gastando uma quantidade também infinita de energia para que pudesse atingi-la. A 14ª Conferência Geral sobre Pesos e Medidas (1971). como padrões de referência. um padrão básico de referência. tempo. por sua vez. pela equivalência de massa e energia.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde então. temperatura termodinâmica. Para alcançar esse objetivo. selecionou como básicas as unidades de comprimento. Atualmente. massa. Quanto ao espaço e tempo. Portanto. devemos aceitar que o tempo não é completamente isolado e independente do espaço. No entanto. assim como a influência das interações do ambiente nos sistemas biológicos. Há um elevado número de grandezas envolvidas nos fenômenos físicos que se torna difícil organizá-las. o que se faz é selecionar. grama. depois de aceitos internacionalmente. Segundo Einstein. O SI utiliza para as grandezas fundamentais. também. são afetados por qualquer evento que aconteça no universo. Um evento é alguma coisa que acontece em um determinado ponto do espaço em um tempo também determinado. ou uma força atua. De acordo com a relatividade. quilograma. não havendo distinção entre as coordenadas de espaço e de tempo. Atribuímos padrões para cada uma dessas grandezas fundamentais e para nenhuma outra. Por esta razão. Essas sete unidades formam a base do Sistema Internacional (SI) de unidades de medida (Le Système International d’Unités). outros sistemas de medidas podem ser usados como o MKS (padrões de referência: metro. o metro (m) para o comprimento (espaço). A avaliação quantitativa dos fenômenos que ocorrem no universo e nos seres vivos. são também componentes indissociáveis. Os sistemas de medidas estabelecem padrões que são utilizados para avaliar quantitativamente a composição e os fenômenos do Universo. e todas as demais serão grandezas derivadas. os sistemas de medidas passam a utilizá-los como referência. ou seja. Foram feitas reproduções idênticas ao metro-padrão e enviadas. a partir desses. o padrão deve ser invariável. emitida por átomos do isótopo 86 do Kriptônio ( 86Kr) em descarga elétrica. Para obter-se a acessibilidade exigida são produzidos padrões secundários. como padrões secundários. como. Para a medida do comprimento.650. Da mesma forma. lhe é atribuído uma unidade. Padrão de massa. o metro. a unidade de força. O padrão de massa é um cilindro feito com uma liga de platina iridiada. para essa medida. dentro de limites razoáveis.kg/s2 Os métodos utilizados para a definição dos padrões para as grandezas físicas são inteiramente aleatórios. Em qualquer parte do mundo. de uma radiação laranjaavermelhada particular. terciários. foi escolhido o comprimento de onda. etc. uma medida realizada deve ser comparável à do metro-padrão. a laboratórios de padrões em todo o mundo. sendo definido como a distância. por sua vez. As outras unidades do SI são. que amplamente distribuídos. permitem a realização das medidas. a unidade de massa atômica (abreviada como u). foram usados para calibrar outras barras mais acessíveis. o que significa que o padrão de medida deve estar sempre acessível. Na escala atômica. Como referência. derivadas. entre dois finos traços gravados próximos às extremidades da barra. ao compararmos a medida de um objeto com o padrão devemos. por exemplo.1. portanto. semelhantes ao de referência. no vácuo. por exemplo. os quaternários. que. Especificamente. Tabela 1. os padrões secundários foram obtidos e enviados aos laboratórios padrões de todo o mundo e as massas de outros corpos podem ser determinadas pela técnica da balança de braços iguais. A escolha de um padrão atômico oferece como vantagem a precisão nas medidas de comprimento. A massa do isótopo 12 do carbono ( 12C) foi definida como sendo a massa de 12 unidades de 8 . Unidades básicas do Sistema Internacional (SI) Unidade Nome Comprimento metro Massa quilograma Tempo segundo Corrente elétrica Ampére Temperatura termodinâmica Kelvin Quantidade de substância mol Intensidade luminosa Candela Símbolo m kg s A K mol cd Padrão de comprimento. Para se chegar a esse número mediu-se rigorosamente o comprimento da barra metro-padrão em função dessas ondas luminosas. como padrão básico de referência e são estabelecidos os procedimentos que permitem a sua aferição. evitando a influência de fatores ambientais nas dimensões físicas da barra de liga de prata iridiada. O metro-padrão é uma barra feita com uma liga de prata iridiada.1 apresenta as unidades de medidas fundamentais do Sistema Internacional. como: 1 N = 1 m. Em 1960 foi adotado um padrão atômico para o metro a fim de tornar a sua medida mais precisa. os padrões terciários e. arbitrariamente estabelecida. designado como a massa de um quilograma. estando ela a 0°C e suportada mecanicamente de um modo determinado.73 comprimentos de onda dessa luz.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde A Tabela 1. um metro é atualmente definido como sendo 1. o Newton (abreviatura N). etc.763. que é definida tomando como referência as unidades bases do SI. Além disso. podemos definir um segundo padrão de massa. obter sempre a mesma resposta. Em 1967.2. De outra forma. No entanto. A medida do tempo permite estabelecer a sequência e a durabilidade dos acontecimentos.631. energia. a Biofísica é o estudo da matéria. ou muito pequenas.2). Segundo Volkenshtein. O segundo foi definido como sendo 9. Os relógios de quartzo. a Biofísica ou física dos fenômenos da vida. podemos conceituar a Biofísica como a ciência que estuda os aspectos físicos e físico-químicos relacionados aos processos biológicos e as suas interações com o ambiente. terminando pela biosfera em seu conjunto e para o Professor Ibraim F. o miligrama (mg). No entanto. servem como padrões de tempo secundários. Para obter-se uma melhor padronização de medida do tempo foram desenvolvidos os relógios atômicos utilizando-se como padrão as vibrações atômicas periódicas. A unidade de massa atômica corresponde a 1. O método de medição consiste em contar as repetições. Podemos encontrar as massas de outros átomos comparando as suas massas à unidade de massa atômica. Para Volkenshtein. Heneine. Para expressarmos propriedades físicas muito grandes. o centímetro (cm). As investigações biológicas começam com o questionamento físico do problema relacionado com a natureza viva. a 9 . a unidade de massa atômica não é uma unidade do Sistema Internacional. Isso significa que tal questão se formula a partir das leis gerais da Física e das estruturas atômica e molecular da matéria.660 x 10 -27 kg. tem sido usada como nosso padrão de tempo.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde massa atômica.400 de um dia. na maioria dos casos. estuda os eventos vitais em níveis molecular. podemos usar múltiplos ou submúltiplos das unidades básicas de medidas (tabela 1. A natureza viva é complexa a tal ponto que. Para medir o tempo universal precisamos de um relógio calibrado astronomicamente. A rotação da Terra sobre seu eixo. Padrão de tempo. Podemos usar como medida do tempo qualquer fenômeno que se repita. espaço e tempo nos sistemas biológicos. o nanograma (ng) e o picograma (pg). Para expressarmos adequadamente as quantidades de massa utilizamos os submúltiplos do quilograma. o micrometro (μm). cujo sistema tem por base as vibrações periódicas do cristal de quartzo. Múltiplos e submúltiplos das unidades de medidas Prefixo Símbolo Fator Prefixo 1 Deca da 10 deci Hecto h 102 centi Quilo k 103 mili Mega M 106 micro Giga G 109 nano Tera T 1012 pico Peta P 1015 fento Exa E 1018 atto Símbolo d c m µ n p f Fator 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 a 10-18 Conceito de Biofísica. Em biologia. o grama (g). utilizam-se frequentemente os submúltiplos das unidades padrões por serem mais adequados à quantificação dos eventos que ocorrem nos sistemas biológicos. foi adotado como padrão internacional o segundo tendo por base o relógio de Césio-133. Define-se um segundo como sendo a fração 1/86. o nanômetro (nm) e o picômetro (pm).192. o conteúdo da Biofísica não está obrigatoriamente ligado à utilização de aparelhos físicos na experimentação biológica. os conhecimentos biológicos são insuficientes para realizar o tratamento físico. sustentados eletricamente. para as medidas de espaço. Tabela 1.770 períodos de determinada transição particular do 133Cs. que determina a duração do dia. o milímetro (mm). O tempo definido em termos de rotação da Terra é denominado tempo universal (TU). celular. a Biofísica se baseia na observação minuciosa. inseparável da Biologia. as propriedades e os mecanismos de ação das estruturas celulares. pressupõe a existência de uma ordem que determina a regularidade dos fatos e o determinismo. especialmente a Bioquímica e a Biologia. os sistemas mecânicos e químicos. audição e a fonação. Caráter multidisciplinar da Biofísica. A Biofísica Celular estuda a estrutura e a funcionalidade das células e tecidos. permitindo a compreensão dos fenômenos vitais e suas causas. a Biofísica é inseparável da Biologia Molecular e da Química. ou seja. permitindo uma melhor compreensão e descrição da cadeia de eventos. No estudo dos fenômenos vitais. também. modelos simples. trocam matéria e energia permanentemente com o meio que os rodeiam. particularmente relacionado com a física das membranas biológicas e dos processos bioenergéticos. auto-reproduzíveis e abertos. selecionam-se as variáveis cuja influência se deseja estudar e se elaboram hipóteses que devem ser testadas. químicas e na física das moléculas. Os modelos físico-matemáticos dos processos biológicos são elaborados com êxito e têm-se realizado tratamentos teóricos gerais sobre os mecanismos vitais. Os sistemas vivos são sistemas heterogêneos. O que diferencia a Biofísica de outros ramos da Biologia é o seu método de estudo que tem aspectos comuns com a Matemática e a Física e. a Biofísica é uma ciência quantitativa que pretende construir. explicando os mecanismos físicos responsáveis pela funcionalidade biológica das moléculas e da interação molecular. de forma dinâmica. auto-reguláveis. Em busca do conhecimento científico. ou seja. como as membranas. também. objetiva e imparcial dos processos biológicos. altamente ordenados. Para cumprir seu papel. O estudo biofísico dos problemas da natureza viva permite o conhecimento dos fenômenos vitais sendo. com metodologia adequada. se apoiando nas disciplinas biológicas. completos e verificáveis dos fenômenos biológicos. a Biofísica se superpõe às áreas de atuação de outras ciências. Para estudar os processos vitais. uma ciência experimental. À semelhança da Física. etc. utiliza a matemática para definir leis e expressões que representem os fenômenos estudados. A partir das conclusões obtidas serão levantadas novas hipóteses que determinarão novas experimentações. a geração e transmissão de fenômenos elétricos produzidos pelas células. as substâncias fundamentais são os biopolímeros: proteínas e ácidos nucléicos. com a Biologia. principalmente as proteínas e os ácidos nucléicos. particularmente a contração muscular e o estudo dos fenômenos relacionados com a visão. A Biofísica tem permitido esclarecer a estrutura e as propriedades das moléculas biológicas fundamentais. A Biofísica é. para se comprovar a pertinência de cada uma delas. os estudos biofísicos se realizam em três níveis: a) domínio atômico e molecular ou biofísica molecular b) domínio celular e tecidual ou biofísica celular c) domínio macroscópico ou biofísica de sistemas complexos A Biofísica Molecular estuda a estrutura e as propriedades físico-químicas das moléculas biológicas importantes para a função celular. 10 . limita-se o campo de observação. Inclui os fenômenos de transporte de substâncias através das membranas celulares. as organelas bioenergéticas.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde biologia se desenvolve impulsionada pela biofísica. Neste domínio. os processos mecânicos e químicos. Para isso. nesta busca. Nesses sistemas. Para a experimentação. cada fenômeno tem uma causa determinante. em algumas espécies. manifestando-se como peso. A energia gerada pela matéria existe sob dois estados. O campo gravitacional da Terra atua por força de atração sobre os corpos em sua superfície. A força gravitacional é universal. G é a constante gravitacional. Essa energia se manifesta no espaço-tempo como uma força capaz de atuar sobre o campo gerado por outro corpo. não o fazem diretamente. Força gravitacional. ou campo. como os táteis. A aceleração dos corpos produz. Teoria dos Campos. F = G x m1 x m2 / d2 Onde. e na drenagem de fluidos de cavidades corporais. m1 e m2 as massas dos corpos e d a distância entre eles. desencadeando eventos sucessivos dentro do espaço-tempo. incluindo a termodinâmica dos processos reversíveis e a modulação cinética. A propagação da interação dos campos no espaço se faz através da propagação do efeito do campo e demanda tempo para ocorrer. como na terapia intravenosa de líquidos. se manifesta como força gravitacional. O campo G pode ser provocado. A gravidade faz com que a lua se mova em órbita elíptica em torno da terra e a terra e os planetas em trajetórias também elípticas em torno do sol. MATÉRIA ↔ ENERGIA ↔ FORÇA ↔ TRABALHO Os corpos. Toda matéria gera e emite um campo que é energia. O campo G auxilia na introdução de fluidos no organismo. A energia emitida pela matéria. magnética e eletromagnética e força nuclear forte e fraca. os gases e líquidos. A energia potencial pode ser convertida em energia cinética e vice-versa. Segundo a Lei da Gravitação Universal de Isaac Newton. o aumento do campo G. produzindo nele mudanças. ou energia potencial e como energia em movimento ou energia cinética. ao interagirem entre si. Matéria e energia são diferentes estados de uma mesma qualidade fundamental. em repouso. A energia gravitacional atua somente como força de atração e age a longas distâncias. as interações ocorrem entre seus campos. sons. pressão e movimento. que pode ser utilizado para a precipitação de corpos de pequena massa em suspensão. age sobre o sangue. as vísceras e o esqueleto modelando a estrutura e a resistência do tecido ósseo. realizando trabalho. receptores que indicam a direção do campo gravitacional da Terra. barorreceptores que sentem pressão e. Do mesmo modo. de acordo com a sua massa e energia. A Teoria dos Campos integra os conceitos de matéria e energia e de espaço e tempo. como energia armazenada. Os seres vivos são dotados de mecanorreceptores para a percepção de estímulos mecânicos. A matéria se caracteriza pela impenetrabilidade e pela massa da inércia e a energia pela capacidade de realizar trabalho. de modo transitório. cada corpo no universo é atraído por todo e qualquer outro corpo por uma força proporcional a sua massa e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles. força elétrica. A ação gravitacional influi na estrutura e atividades dos sistemas biológicos. sendo emitida por todo e qualquer corpo de forma permanente. As centrífugas 11 . Esses fenômenos ocorrem em sequência temporal. ruídos e deslocamentos de fluidos. produzindo trabalho. A gravitação universal explica a organização macroscópica do universo. os fenômenos bioenergéticos e os processos de desenvolvimento biológico.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde A Biofísica de Sistemas Complexos se dedica a examinar os problemas físico-biológicos gerais e a simulação físico-matemática dos processos biológicos. A força elétrica age a distâncias médias e. para a separação de biopolímeros dotados de carga elétrica. A força que mantém átomos e moléculas ligadas entre si é. da mesma forma que a força gravitacional. Dessa forma. Um corpo grande. podem ser medidas e registradas como eletrocardiograma (ECG). Forças elétrica. na eletroforese. A força magnética participa na determinação da estrutura tridimensional das moléculas. magnético e eletromagnético. A aplicação de correntes elétricas nos tecidos produz efeitos terapêuticos importantes. como a Terra ou o Sol. ultravioleta. X. como as proteínas. produzindo os imãs com seus pólos norte e sul. A força magnética age a pequenas distâncias e. também. exatamente como a atração gravitacional provoca o movimento da Terra em torno do Sol. O campo eletromagnético está presente em todos os seres vivos sob a forma de calor. 12 . As células e os líquidos orgânicos são compostos de moléculas e íons dotados de cargas elétricas. A força eletromagnética que interage com os campos elétricos das partículas portadoras de carga elétrica. constituindo o grupo das radiações eletromagnéticas. gama. A força magnética é gerada por cargas elétricas em movimento ou pela ordenação dessas cargas. e é atrativa entre cargas diferentes.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde são máquinas que provocam movimento de rotação uniformemente acelerado. onde estão incluídas as radiações cósmicas. As radiações eletromagnéticas podem atingir distâncias astronômicas. eletromiograma (EMG). nos métodos de análise. visível e ondas de rádio). contém aproximadamente o mesmo número de cargas positivas e negativas. O campo eletromagnético é responsável pelos fenômenos da visão e da fotossíntese. O campo elétrico e magnético é responsável pelas reações químicas. deixando uma força eletromagnética resultante muito pequena. as forças atrativas e repulsivas entre as partículas individuais quase se anulam mutuamente. visível e infravermelha) e as ondas de rádio e televisão. A força eletromagnética pode também ser gerada e propagada como campos elétrico e magnético combinados. as forças eletromagnéticas predominam. Os seres vivos em sua atividade biológica produzem os três campos: elétrico. magnética e eletromagnética. encontra grande aplicação em Biologia. etc. na terapêutica. X. causando aumento do campo gravitacional. A força entre duas cargas positivas é repulsiva. assim como entre duas cargas negativas. O campo elétrico gerado e o movimento de cargas durante as atividades celulares. solar (ultravioleta. eletroencefalograma (EEG) e eletrorretinograma (ERG). varia com o inverso do quadrado da distância. também. O campo magnético é usado para investigar propriedades magnéticas de sistemas vivos. Esse campo. positivas ou negativas. O campo elétrico é também utilizado como instrumento de análise e investigação de constituintes dos sistemas biológicos. A força elétrica é gerada por partículas dotadas de carga elétrica. de caráter elétrico e magnético. propagadas para a superfície corporal. varia com o inverso do quadrado da distância. Nos átomos ou moléculas. nas suas propriedades e no modo de interação entre elas. através de métodos como a ressonância magnética nuclear e ressonância paramagnética de elétrons. na forma de radiações (gama. As interações entre elétrons e prótons provocam a rotação dos elétrons ao redor do núcleo do átomo. é muito mais forte que a força gravitacional. A força nuclear age apenas em distâncias curtas. Ela é responsável pela manutenção da estrutura organizada de prótons e nêutrons no núcleo dos átomos.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Força nuclear. 13 . onde partículas e energias são emitidas pelo núcleo sem desintegração da estrutura atômica. Está composta pela força nuclear forte e fraca. A força nuclear fraca age em todas as partículas da matéria. A força nuclear forte atua como forças de atração e repulsão muito fortes. intranucleares. As forças fracas são responsáveis pelo fenômeno radiativo. Desta forma.2. é a pressão atmosférica ao nível do mar. De acordo com a lei da gravitação universal. B Figura 2.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Capítulo 2 MANOMETRIA. o milímetro de mercúrio (mmHg) e o Bar. SISTEMAS DE INFUSÃO E DRENAGEM EM COMPARTIMENTOS BIOLÓGICOS A pressão de um gás se deve a agitação molecular.1). A pressão é transmitida sempre perpendicularmente à superfície da área. em geral. A . Figura 2. são atraídos pelo campo gravitacional da terra e. quando nos afastamos da superfície da Terra a pressão atmosférica decresce em função da altitude (figura 2.Moléculas de gás atraídas pelo campo gravitacional da Terra.Variação com a altitude. Do ponto de vista físico. consequência da energia cinética de seus componentes (figura 2. Pressão atmosférica. As moléculas do gás se movem ao acaso colidindo umas contra as outras e contra as paredes do recipiente.2). B . B). a atmosfera (atm). em consequência dessa atração de massas. desordenado e ao acaso dá-se o nome de movimento Browniano. contra as paredes dos recipientes que os contém e nas superfícies de contato entre sistemas em diferentes estados físicos. líquidos e gases. exercendo uma força que se manifesta como pressão (Figura 2.3). a força de atração gravitacional depende diretamente do produto das massas e inversamente ao quadrado da distância.1. O referencial mais conveniente. Os fluidos. 14 . Representação esquemática de um recipiente contendo um gás. manifestando-se como pressão. Assim sendo. ou seja. Entende-se por pressão NEGATIVA o nível de pressão medido abaixo de um valor de referência considerado nível "zero".2. l atm ou 760 mmHg. A esse movimento livre. a pressão é determinada pela ação da força sobre uma 2 área unitária. cujas unidades são o Newton/m ou Pascal (Pa). não existe pressão negativa (que em teoria seria um estado de não força sobre uma área). sendo expressa por: P = F/A. exerce uma força sobre a superfície da Terra e as paredes dos recipientes que os contém. ou seja: F = G x m1 x m2 / d2 Assim. Em nível do mar a pressão atmosférica é capaz de sustentar uma coluna de mercúrio de 76 cm ou 760 mm de altura (Figura 2. os vetores representam a pressão que diminui com a altitude. a pressão atmosférica é causada pelas moléculas do ar em colisão contra a superfície da Terra. como gás-sólido e gás-líquido. Essa agitação molecular determina colisões entre os diversos componentes dos gases. ). Representação esquemática do experimento de Torricelli. o ar se move para dentro dos pulmões através das vias aéreas a fim de restabelecer o equilíbrio entre as pressões. Os movimentos respiratórios são os de expansão (inspiração) e retração (expiração) pulmonares. aumentando o diâmetro anteroposterior do tórax. Havendo desequilíbrio de pressões o fluido tende a deslocar-se no sentido do gradiente (do maior para o menor) a fim de torná-las equilibradas. comprimem as vísceras forçando o conteúdo abdominal contra a face inferior do diafragma. A respiração pulmonar é um exemplo da atuação dessas pressões e dos conceitos que ora são apresentados. aumentando ou diminuindo a cavidade torácica e 2) pela elevação e abaixamento das costelas com o objetivo de aumentar e diminuir o diâmetro antero-posterior da cavidade torácica. Na expiração forçada. e os músculos da parede abdominal. o diafragma relaxa e encurta o diâmetro vertical da caixa torácica. Figura 2. o aumento de volume da caixa torácica provoca a diminuição da pressão do ar nos alvéolos (pressão intra-alveolar). promovendo a inspiração (figura 2. Para uma expiração em repouso. dessa forma. que ao se contraírem.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde A pressão da atmosfera atua em todos os sentidos. que tracionam as costelas para baixo. além do movimento do diafragma para baixo. Durante a inspiração. No entanto. A respiração normal em repouso é realizada quase que inteiramente pelo movimento inspiratório do diafragma. reduzindo o diâmetro antero-posterior do tórax e a retração elástica dos pulmões promovem a elevação da pressão intra-alveolar.3. expandindo o volume da caixa torácica. Os pulmões podem se expandir e retrair de duas maneiras: l) pelos movimentos do diafragma para cima e para baixo.). a contração do diafragma traciona a superfície inferior dos pulmões para baixo. para uma inspiração forçada faz-se necessário. Movimentos do diafragma e da caixa torácica. reduzem muito o volume torácico e. As moléculas do ar atuam sobre a superfície do mercúrio. as costelas formam um ângulo para baixo.4. as forças elásticas do tórax e dos pulmões não são fortes o suficiente para gerar um gradiente de pressão necessário para uma expiração vigorosa. Para isso. tornando-a negativa em relação à pressão atmosférica. estabelecendo-se o gradiente de pressão que promove o movimento do ar para fora dos pulmões. atuam em conjunto os músculos expiradores torácicos. 15 . empurrando-o para cima. que se torna positiva em relação a pressão atmosférica. Ao se estabelecer o gradiente de pressão. estabelece-se um gradiente de pressão capaz de mobilizar um volume grande de ar para fora dos pulmões (figura 2. aumenta o diâmetro vertical do tórax. De acordo com a lei de Boyle-Mariotte.4. Respiração pulmonar. a contração dos músculos intercostais externos projetam as costelas e o esterno para frente. sendo capazes de manter uma coluna de mercúrio. Pressão hidrostática.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Figura 2. onde a leitura se faz pelo movimento de uma coluna de mercúrio (ou de água) em uma escala graduada. A causa da variação de pressão é o peso do líquido por unidade de área que varia em pontos diferentes do líquido (figura 2.5. Deve-se aferir o estado pressórico dos diferentes compartimentos do organismo em diferentes situações clínicas. 2) Do líquor nas meninges.4.5). MANOMETRIA. Os manômetros podem ser: l) Aneróides. Refere-se à medida da pressão exercida por gases em expansão e por líquidos nas paredes dos recipientes que os contém. Inspiração: Expansão da caixa torácica (V)   Pressão intra-alveolar que se torna menor que a pressão atmosférica. Pressão hidrostática é a pressão exercida pelos líquidos em repouso. São níveis de pressão relevantes: 1) A pressão do sangue nas paredes dos vasos.  é a densidade do líquido. Po é a pressão na superfície livre do líquido (igual à pressão atmosférica). Para um líquido que ocupa um recipiente observa-se uma variação de pressão de acordo com a altura de um ponto considerado em relação a um referencial. A medida quantitativa da pressão é realizada por manômetros. g (h2 – h1) ou P = P0 +  g h Figura 2. P2 – P1 = . Expiração: Retração da caixa torácica (V)   Pressão intra-alveolar que se torna maior que a pressão atmosférica. Manometria de líquido e compartimentos orgânicos. A variação de pressão hidrostática depende da altura do ponto considerado em relação à superfície livre do líquido. g (h2 – h1) P0 – P1 = . se houver. ou 2) Manômetros de mercúrio (ou de água). onde a leitura é feita pela observação do movimento da agulha em uma escala graduada. Representação esquemática dos movimentos torácicos durante a inspiração e expiração. 16 . O gradiente de pressão (Pressão intra-alveolar > Pressão atmosférica) move o ar para fora dos pulmões. geralmente. estabelecendo-se o gradiente de pressão (Pressão atmosférica > Pressão intra-alveolar) e o movimento do ar para dentro dos pulmões. g é a aceleração da gravidade e h é a altura do ponto em relação a um referencial. que. é a superfície livre do líquido. O valor da PVC corresponde. onde o ramo esquerdo é usado para a infusão de líquido no paciente. O nível zero da escala é estabelecido por um plano perpendicular a linha axilar média do paciente. As pressões nestes compartimentos são importantes por representar estados de anormalidades funcionais que devem ser corrigidas. B 2. A manometria pode ser realizada por dois métodos: a) Método cruento. para evitar o dano à medula espinhal. em contato direto com o manômetro. o ramo central se conecta ao cateter do paciente e o ramo direito é utilizado como manômetro para a aferição da PVC.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde 3) A pressão intraocular.Posição do paciente para permitir a punção lombar. A coluna liquida do ramo direito desce deslocando-se sobre a escala até nivelar-se. Manometria da Pressão Venosa Central (PVC). a média aritmétrica dos valores lidos na escala numérica. Com o paciente em decúbito lateral e a coluna vertebral em flexão.8 mmHg. A . cuja pressão se deseja aferir. que o ramo direito se encha de líquido. entre a terceira e a quarta vértebras lombares. O equipo utilizado na aferição da PVC é tipo Y. São exemplos de manometrias pelo método cruento: 1. A pressão normal é de 10 a 13. sendo realizada pela introdução de um cateter na veia cava superior. devendo ser realizado com bastante rigor para permitir a correta leitura do nível de pressão.7). A colocação de um manômetro de água permite a aferição da pressão liquórica. uma agulha fina e longa é introduzida no espaço entre a terceira e a quarta vértebras lombares até alcançar o espaço subaracnóideo permitindo a saída do líquor. através de dessecação cirúrgica ou por punção da veia subclávia.6. fecha-se o ramo esquerdo e abre-se o ramo central. desta forma. Quando se deseja aferir a PVC. Avaliação da pressão liquórica por punção do espaço subaraquinóideo. O ramo direito é posicionado sobre uma escala de leitura que deve ser fixada no suporte do recipiente com o líquido de infusão (figura 2. O valor normal da 17 . onde permanece oscilando entre dois valores devido aos movimentos respiratórios do paciente. A aferição da PVC é de grande importância clínica. B . Consiste em colocar o líquido. Em seguida. 4) A pressão dentro das vias biliares.Local adequado para a introdução da agulha. A Figura 2. em centímetros de água (cm H2O). fecha-se o ramo central (que se dirige ao paciente) permitindo. utilizando como acesso uma veia profunda do braço direito. através do êmbolo central. A falha do sistema de drenagem do humor aquoso aumenta o seu volume e eleva a pressão intra-ocular ou glaucoma . Aferição da pressão intra-ocular pela avaliação do grau de deformidade da superfície da córnea. Ao ser descomprimida. em dado instante. O tonômetro aplica uma pressão. Figura 2. A pressão intra-ocular deve ser sistematicamente pesquisada em todos os indivíduos com idade superior aos 40 anos. Esse método utiliza meios indiretos para a aferição das pressões. enquanto que valores inferiores significa diminuição do volume sanguíneo (hipovolemia) ou insuficiente hidratação. O balanço entre a formação e a reabsorção do humor aquoso regula o seu volume total e a pressão do líquido intra-ocular. O valor da pressão intra-ocular é determinado utilizando-se uma tabela de conversão a partir do grau de tensão avaliado. São exemplos de manometrias pelo método incruento: 1. 3. A medida da pressão sanguínea pode ser avaliada pelos métodos: a) Palpatório (afere a pressão máxima ou sistólica). Aferição da pressão sanguínea. A pressão biliar elevada se deve a obstrução a passagem da bile para o duodeno. O valor normal médio é de 30 cm H2O (em inanição). Os métodos auscultatório e palpatório são avaliados pela compressão de uma artéria criando um obstáculo à passagem do sangue.8). deprimindo a superfície da córnea anestesiada. pelo menos uma vez ao ano. b) Auscultatório (afere as pressões máxima e mínima ou diastólica). Figura 2. Manometria das vias biliares. O ramo direito permite a aferição da PVC observando-se o nível líquido na escala graduada. O grau de deformação da córnea depende da pressão intra-ocular. A aferição da pressão da árvore biliar pode ser realizada por conecção direta do ducto colédoco com um manômetro durante a cirurgia das vias biliares com o objetivo de avaliar a capacidade de drenagem da bile pela ampola de Vater. Sistema para a aferição da pressão venosa central. b) Método incruento. avaliando o grau de tensão. a fim de se detectar aumentos de pressão intra-ocular O valor normal é de 15 a 25 mmHg. a força exercida pelo sangue é capaz 18 .7. Aferição da pressão intra-ocular.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde PVC é de 8 a 12 cm H2O. O humor aquoso é formado e reabsorvido continuamente.8. cujo nível zero está na mesma altura da linha axilar média. c) Oscilatório (afere a pressão média). Os valores superiores aos limites da normalidade tem como significado clínico a insuficiência do bombeamento do coração. É realizada pela análise do estado tensional do globo ocular (figura 2. 2. Pressão arterial mínima 60 a 90 mmHg. quando aberta. Introdução de líquidos em compartimentos A administração endovenosa de líquidos é basicamente realizada por ação do campo gravitacional. Valores normais: Pressão arterial máxima 105 a 140 mmHg.11). interna e externa. Sistemas de Infusão e drenagem de compartimentos A sinfonagem é um sistema simples de infusão e drenagem de compartimentos onde as forças envolvidas são a gravidade e a pressão atmosférica. Utiliza-se o esfigmanômetro e o estetoscópio para ouvir os sons de Korotkoff gerados pela passagem do sangue em turbilhão pelo obstàculo causado pela compressão da artéria pelo manguito inflado. Figura 2.10). Aferição da pressão arterial pelo método auscultatório. A sonda de Foley é um tubo de borracha que apresenta um balão em sua extremidade e duas vias. onde se observa o fluxo de líquidos quando há um desequilíbrio nas pressões envolvidas (figura 2. Sistemas de drenagem por sinfonagem a) Drenagem vesical.10. Uma delas. Levando-se em consideração a resistência ao fluxo do liquido no sistema de infusão deve-se aumentar a altura do recipiente com o objetivo de favorecer o fluxo. É um processo utilizado para a drenagem de líquidos em recipientes ou de pacientes. fechada por meio de uma 19 . Para que a infusão dos líquidos ocorra é necessário apenas que a energia potencial do líquido seja maior do que a energia potencial do sangue venoso. nas extremidades do tubo de drenagem.9.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde de vencer a resistência do obstáculo. pressão hidrostática (Phid). A utilização de uma sonda (tipo Foley) permite drenar a urina da bexiga. Observa-se que o fluxo do líquido é diretamente proporcional a diferença de níveis (h) entre as duas pressões. A outra via. Pressões envolvidas pressão atmosférica (Patm). Drenagem por sinfonagem. Figura 2. surgindo assim uma pulsação que pode ser sentida (tato) ou ouvida (através do estetoscópio). permite o movimento de líquidos para dentro e para fora da bexiga. Esta condição é alcançada quando se eleva o recipiente contendo o líquido a infundir acima do nível de 10 cm do coração (figura 2. observa-se a ação de sua força sobre a pleura não permitindo a expansão do pulmão em conseqüência da inexistência do desequilíbrio entre as pressões a nível dos pulmões e a pressão atmosférica. diminuindo a distensão abdominal. enquanto que o outro extremo é conectado a um tubo mergulhado no líquido do recipiente de drenagem (figura 2.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde válvula. Esta variação é consequência dos movimentos dos músculos respiratórios. c) Drenagem torácica. uma extremidade do tubo de drenagem é introduzida na cavidade pleural através da parede torácica. usa-se o peso de uma coluna liquida (água) para exercer pressão negativa no folheto pleural. utilizando a boca ou o nariz do paciente. principalmente do diafragma. permite encher o balão com ar ou água. deve-se evitar a ação da pressão atmosférica no espaço intrapleural. Tem como objetivo a introdução de líquidos ou a drenagem de gases e líquidos de estase. que amplia a cavidade torácica tornando a sua pressão interna subatmosférica permitindo o movimento do ar para o pulmão através das vias respiratórias (inspiração). o que permite fixar a sonda na bexiga. A retração da caixa torácica. A pressão intra-alveolar oscila em níveis inferior e superior (em tomo de l mmHg) ao da pressão atmosférica durante a inspiração e expiração. b) Drenagem gástrica. devido as características elásticas do pulmão e parede torácica com o auxílio da musculatura expiradora. Administração endovenosa de líquidos. Levine ou Nelaton) se pode acessar o estômago. observando-se a subida do nível líquido no interior do tubo de drenagem quando a pressão intrapleural 20 . Na drenagem de líquidos e gases acumulados no espaço pleural. eleva a pressão acima da pressão atmosférica determinando o movimento do ar para o exterior (expiração). permite-se a drenagem da cavidade posicionando o recipiente coletor em um nível inferior ao do paciente. Nestas condições. Através de uma sonda de polipropileno (tipo nasogástrica.12). sem a interferência na função respiratória. A drenagem gástrica visa a descompressão do trato gastrintestinal. Para isso. A sonda é introduzida na bexiga através da uretra permite drenar a urina em função do nível onde se encontra o recipiente coletor. a pressão intrapleural (PIP) se transmite ao longo do sistema. A diferença de nível determina a velocidade de escoamento. Por outro lado. Para a infusão de líquido. eleva-se o recipiente acima do nível do paciente ou aplica-se pressão positiva.11. Figura 2. Para a drenagem torácica. através de uma abertura na parede torácica. Ao se expor a cavidade pleural à pressão atmosférica. Em média. Figura 2. a pressão intrapleural cai e a coluna líquida sobe. O respiro permite manter a pressão dentro do vidro igual a pressão atmosférica. Na inspiração. Drenagem torácica simples. o p é a diferença entre a pressão atmosférica e a pressão intrapleural. Ou: p = P. atm – PIP Portanto. 21 . a pressão intrapleural desce permitindo a saída do conteúdo pleural. Podemos estabelecer que o nível do líquido do recipiente de drenagem: P.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde é menor que a pressão atmosférica (inspiração) e a drenagem da cavidade pleural quando a pressão intrapleural é maior que a pressão atmosférica (expiração). Pressões envolvidas pressão intrapleural (PIP) e pressão atmosférica (Patm). Ap é a pressão da coluna líquida. o p é igual a 10 cm de H2O.12. Saída. Na expiração. atm = PIP + p Onde. A molécula da água é formada por um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio (H2O). mas com os pares de elétrons compartilhados permanecendo próximos ao átomo de oxigênio em consequência de sua eletronegatividade. Quando a água congela. Na organização estrutural complexa no gelo. ou seja. A energia envolvida no estabelecimento das pontes de hidrogênio é de aproximadamente 5 (cinco) kcal x mol -1 por molécula (figura 3. a água é a substância mais abundante e cumpre a importante função de dissolver os diferentes componentes dos líquidos orgânicos. Figura 3. eletronegativo. Nessa forma. portanto. A estrutura polar da molécula da água permite a formação de pontes de hidrogênio.3 nanômetro (nm). As ligações entre os átomos de hidrogênio (H – O – H) formam um ângulo de 104º40’. denominadas pontes de hidrogênio.1. não associada uma às outras por forças de interação eletrostáticas. a estrutura da água é denominada hidrol (H 2O). sendo.2). as moléculas são orientadas de acordo com seus dipolos. como seu pólo positivo (figura 3. líquido e gasoso. sendo possível duas pontes de hidrogênio por molécula. A molécula da água é assimétrica e de caráter polar. Molécula da água (hidrol) A forma geométrica da molécula da água é aproximadamente trigonal e se fosse considerada esférica teria um raio de 0.2. a água pode ser encontrada nos três estados físicos da matéria sólido. deixando o núcleo do hidrogênio. Os átomos de hidrogênio estão unidos por ligações covalentes σs-p ao átomo de oxigênio. ela se expande e flutua sobre a água líquida. o solvente fundamental dos seres vivos. cada molécula de água está ligada tetraedricamente a quatro outras moléculas por meio de pontes de 22 . positivamente carregados. nesse caso. Somente no estado gasoso. Por ação das forças intermoleculares. são fortemente atraídos pelo átomo de oxigênio da molécula próxima. Os átomos de hidrogênio. Figura 3.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Capítulo 3 BIOFÍSICA DA ÁGUA Nos sistemas biológicos. O hidrol assume configuração angular. negativamente carregado. Estrutura da água. formando ligações do tipo dipolo permanente-dipolo permanente e. desfalcado do seu elétron. Pontes de hidrogênio da água (H ----) Ponte de H. Na natureza. a água pode ser representada por uma única molécula. formando uma ligação polar forte. O seu pólo negativo é representado pelo átomo de oxigênio.1). quando comparado ao valor do calor específico de outras substâncias. os agregados diminuem de tamanho. por convenção. A água em estado líquido mantém parte da estrutura do gelo. exibindo aumento da densidade. chamado de constante dielétrica. a dissociação iônica e o rompimento de ligações covalentes. ou seja. calor específico igual a 1. -CH2 e –CH3 dos hidrocarbonetos. que variam de 0. a densidade da água diminui em temperaturas acima e abaixo de 4ºC. Densidade. com a diminuição da temperatura até 4ºC. O calor é uma energia que flui através dos corpos em obediência aos gradientes térmicos. como. 1 caloria por mililitro de água. Por outro lado. mas quando se funde a temperaturas mais elevadas. ou seja. Constante dielétrica. A densidade de um corpo aumenta com o resfriamento e diminui com a elevação da temperatura devido às suas retração e expansão volumétricas. metanol e a glicerina. a água assume uma característica própria. como a hidroxila (-OH). em temperaturas mais elevadas. por convenção. por exemplo. Propriedades físicas da água Poder solvente. induzem a formação de dipolos nas moléculas em dissolução e atua reduzindo a força de atração entre as moléculas. como o etanol. A densidade da água é máxima a 4ºC. Esse arranjo se desenvolve em uma estrutura tridimensional contendo anéis de seis membros de moléculas de água agrupadas e seu volume excede o das moléculas do líquido. A água tem. Dessa forma. A densidade de um corpo é definida como a sua massa por unidade de volume (d = m / V). é um excelente solvente. Essas moléculas em dissolução sofrem influência do campo elétrico da água de modo a terem suas estruturas perturbadas promovendo. a carboxila (-COOH). à densidade da água a 4ºC. mas os efeitos cinéticos provocam uma diminuição de densidade. Condutividade calorífica. de comportamento linear. inclusive. A molécula da água. por sua polaridade e elevada constante dielétrica. Duas moléculas próximas estão ligadas através dos átomos de hidrogênio de uma molécula a duas outras vizinhas. o aldeído (-CHO). Portanto. quando os agregados de moléculas de água apresentam um efeito de empacotamento desordenado. Entende-se por calor específico de um corpo a quantidade de calor necessário para elevar em 1ºC a massa de 1g da substância. Calor específico.6 kcal e a dos glicerídeos. interage e dissolve moléculas que possuem grupamentos químicos característicos das diferentes funções orgânicas. Em consequência de sua abundância e importância. A molécula da água exerce forte influência na própria força de união entre os átomos que formam as moléculas. Nesse particular. Isso representa um valor alto. o seu poder solvente é nulo ou bastante reduzido diante de moléculas com grupamentos hidrofóbicos. progressivamente as pontes de hidrogênio se rompem. a carbonila (-CO) e a amina (-NH 2). O dipolo permanente da água interage com dipolos permanentes e íons. Esse poder indutor. o valor de 1g/cm3. explicando a expansão da água quando se solidifica. induzindo a formação de íons. que são denominados. se atribuiu. À medida que se rompem mais pontes de hidrogênio. é especialmente elevado para a molécula da água. A condutividade térmica pode ser definida pela equação: 23 . hidrofílicos. o que significa dizer que são necessários adicionar 1000 calorias (1 kcal) para elevar em 1ºC a temperatura de 1 litro. a água apresenta dilatação volumétrica nessas temperaturas. onde apresenta densidade máxima. por isso.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde hidrogênio.4 a 0. Esse transporte se faz em diferentes velocidades para os diferentes corpos. lipídios e protídeos que estão em torno de 0.3 kcal. Para elevar 1g de água a 20°C necessitam-se de 593 calorias e a 37°C. a viscosidade da água é muito baixa. Desta forma. chamada tensão de vaporização. A água tem alto calor de vaporização. sendo de 4 x 10 -3 Pas ou 0.0013. então q=E.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde q = -E x S x d / dx x t Onde. concorre bastante para a compartimentalização biológica. necessitam gastar mais energia e 2) a água exerce um importante papel no controle da temperatura corporal. o corpo necessita de uma certa quantidade de energia para evaporar suas moléculas e quanto mais elevada a temperatura do corpo menor será a energia necessária para evaporá-las. A quantidade q é própria de cada corpo. Tensão superficial. A velocidade com que o fenômeno ocorre. 24 . como será discutido no capítulo que trata da regulação da temperatura corporal. A viscosidade depende diretamente da interação entre as suas moléculas constituintes. a condutividade específica é a quantidade de calor que flui por unidade de tempo através de uma superfície unitária entre dois pontos distante de uma unidade e que tem entre si uma diferença de temperatura também unitária. A tensão superficial da água é alta e. da ordem de 10-11 segundos. As moléculas da camada mais superficial são atraídas para o centro e constituem uma espécie de membrana que reduz a superfície. depende da qualidade de cada corpo e da temperatura em que ele se encontra. q é a quantidade de calor que se propaga. Viscosidade. Mas. para cada temperatura. As interações intermoleculares tendem a manter coesas as moléculas de um líquido. A alta viscosidade seria prejudicial a todas as trocas hídricas do organismo e no caso da circulação sanguínea representaria um obstáculo a hemodinâmica. de 0.04 poise a 20°C e acredita-se que isso se deve à contínua flutuação das pontes de hidrogênio. S é a superfície de propagação do calor. mas muito baixa se comparada aos metais. Dessa forma. Esse alto valor de vaporização apresenta duas vantagens: 1) para os sistemas biológicos se desidratarem. que se desfazem e se refazem em um tempo muito curto. Calor de vaporização. certamente. A água deveria ter alta viscosidade em razão das pontes de hidrogênio e isso seria um fator desfavorável. Todas as moléculas dos corpos têm a tendência de passar para o estado gasoso por ação de uma força. d / dx é o gradiente de temperatura entre dois pontos dados e t é o tempo de observação. E é um fator que dependente de cada corpo denominado condutividade específica. 581 calorias. em relação aos líquidos e constituintes orgânicos. Quando todos os valores forem unitários. A água tem uma elevada condutividade específica. liberando a parte líquida que denominamos soro sanguíneo. O soro. gorduras. não se pode reconhecer o dispersante e o disperso. no exame microscópico do soro nada pode ser observado. Os componentes da mistura podem estar em qualquer um dos três estados da matéria: sólido. como lupas e microscópios. sendo a parte líquida denominada plasma. Da mesma forma. leucócitos (glóbulos brancos) e plaquetas. a coagulação é ativada levando a formação do coágulo. formando o sedimento. o sangue nos parece um líquido viscoso e homogêneo. Se uma parte da amostra do sangue for colocado em um tubo de ensaio. No caso do plasma. que agrega toda a parte sólida do sangue. mas.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Capítulo 4 DISPERSÕES Dispersões são misturas de duas ou mais substâncias. menores que 1 milimicron. sua análise química mostra ser constituída por uma mistura contendo sais. liquido ou gasoso. de uma parte sólida e outra líquida. onde o tamanho médio do disperso varia entre 1 e 100 milimicra. pelo menos. cada componente que pode ser visualizado. Considere uma amostra de sangue obtida por punção venosa. 2. podemos observar a gradativa separação. o disperso de maior tamanho é composto por proteínas dissolvidas. Em função do tamanho médio do disperso. Se o tubo for levado para centrifugação. que. as substâncias constituintes são denominadas componentes da dispersão. sua análise química revela a presença de muitas substâncias. constituem um colóide. o fibrinogênio e as globulinas alfa. Dessa forma. ou em estado gasoso ou dispersões gasosas. cuja ordem de grandeza está entre 1 a 100 m μ. 3. incluindo os elementos celulares e as proteínas plasmáticas. Características das dispersões. por exemplo. mas. todos os elementos celulares irão rapidamente se depositar no fundo do tubo. é aquele que se encontra em maior extensão. entre elas diferentes proteínas. os componentes das dispersões são. ou seja. deixando-o em repouso. gases em dissolução e outras substâncias. portanto. e um disperso. inclusive utilizando instrumentos de aumento. Se agitarmos o tubo. nenhum elemento pode ser visto. As dispersões são classificadas de acordo com o tamanho médio do disperso em: 1. como está formado por moléculas pequenas. beta e gama. Nas dispersões. facilmente reconstituímos a mistura. as ligas metálicas. onde o tamanho médio do disperso é menor que um (1) milimicron (mμ). A simples observação. por sedimentação. glicose. as dispersões apresentam características que as diferenciam. Suspensões. Soluções. Utilizando o tamanho médio do disperso podemos classificar o sangue total como uma suspensão porque contém elementos celulares. e misturado suavemente. contendo algumas gotas de um anticoagulante como a heparina. Colóides. Entende-se por fase de uma dispersão. 25 . maiores que 100 mμ. Se algumas gotas do sangue forem colocadas em uma lâmina de vidro e espalhadas por uma lamínula e levada para observação ao microscópio óptico. um dispersante. por isso. é uma solução. em geral. onde o tamanho médio do disperso é maior que 100 milimicra. Se observarmos o plasma ao microscópio óptico. como a albumina. Se uma outra parte da amostra de sangue for deixada em um tubo de ensaio sem heparina. identificamos um grande número de elementos celulares: hemácias (glóbulos vermelhos). onde todos os componentes estão em estado sólido. São misturas de duas ou mais substâncias que apresentam as mesmas propriedades físicas e químicas em toda a sua extensão. quando os seus componentes são moléculas. as suspensões apresentam dispersos facilmente vistos utilizando a visão desarmada ou instrumentos de aumento sendo. enquanto as soluções gasosas são misturas de gases e. Os colóides só podem ser filtrados por meio de ultrafiltros. as soluções podem ser moleculares. no dispersante. e. misturas monofásicas ou homogêneas. todos os componentes da dispersão estão no estado sólido como. em razão de a água ser o solvente dos líquidos orgânicos. constituem misturas heterogêneas. podendo as substâncias que as compõem estar em um mesmo estado ou em estados físicos diferentes. De acordo com a capacidade dos diferentes componentes da mistura serem visualmente identificados. Soluções. Nas soluções sólidas. gás em sólido. os colóides sedimentam unicamente utilizando ultracentrífugas. denominado soluto. Os colóides. mas não dissolvidos. ou iônicas. nesse caso. Para a obtenção de uma solução é necessário que os componentes sejam miscíveis ou solúveis entre si. mas apenas ocupando uma determinada posição na estrutura do metal. A concentração de uma solução é a relação quantitativa entre o soluto e o solvente. obtém-se uma mistura homogênea composta por substâncias intimamente misturadas. como. em consequência da ordem de grandeza dos dispersos. por exemplo. não constituem soluções verdadeiras. ou mistas. portanto. dessa forma. iônicas e moleculares.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Número de fases. líquida ou gasosa na dependência do estado físico do solvente e do soluto. pois os metais não estão dissolvidos uns nos outros. As soluções líquidas têm seus componentes no estado líquido. De acordo com a natureza química do soluto. não constituem soluções verdadeiras. cuja unidade é g / l: C=m/V 26 . onde os componentes não podem ser separados por nenhum processo mecânico. Separação por sedimentação. como na solução aquosa de substâncias iônicas como os sais. Ao se dissolver o disperso. Quanto à capacidade dos componentes da mistura serem separados mecanicamente por filtração. Separação por filtração. constituindo. gás em sólido e líquido em sólido. sólido em líquido. mas. já que os gases estão dispersos ocupando os recipientes que os contém. e. Quanto à capacidade de sedimentar os diferentes componentes da mistura. ou solvente. nas misturas de metais ou ligas metálicas. Soluções não eletrolíticas são conduzem corrente elétrica. As soluções podem ser sólidas. à semelhança das soluções sólidas. por exemplo. mesmo assim. e. Substâncias iônicas em solução liberam íons livres que se movem por ação de um campo elétrico gerando fluxo ordenado de cargas. os dispersos não podem ser visualizados. mesmo utilizando instrumentos de aumento. Outras combinações possíveis são gás em líquido. as suspensões sedimentam facilmente. as soluções não podem ser filtradas. Concentração das soluções. misturas de mais de uma fase ou heterogêneas. As soluções aquosas são aquelas de maior interesse para estudo. as soluções não sedimentam por qualquer meio. só podem ser visualizados utilizando microscópios de grande aumento. as suspensões são facilmente filtradas utilizando filtros comuns. No caso das soluções. a mistura de glicose em água. o que constitui as denominadas soluções eletrolíticas. Quando expressamos quantitativamente a massa do soluto (m) em gramas e o volume (V) da solução em litros. nos referimos à concentração simples (C) da solução. os volumes se somam. a mesma solução em diferentes temperaturas apresentam diferentes concentrações molares ou normais. o y é um fator igual a: 1. e. a quantidade do solvente a ser adicionada deve completar o volume final de 100 ml ou 1. Para os ácidos: número de hidrogênios ionizáveis. em caso de o soluto ser um átomo ou íon isolado ou o equivalente-grama para substâncias compostas. Para solutos sólidos dissolvidos em solventes líquidos. Para as bases: número de hidroxilas 3. expressamos soluções por cento ou por mil. tendo como unidade o Eq-g / l. temos uma relação de massa a volume (m/v). NEq-g = m / Eq-g O equivalente químico é definido pelo peso atômico dividido pela valência do elemento químico: Para o sódio: EqNa = 23 / 1 = 23g Para o cálcio: EqCa = 40 / 2 = 20g O equivalente grama é dado por: Eq-g = Mol ou fórmula-grama / y Onde. 27 . praticamente. 2. O número de equivalente-grama é igual à massa em gramas do soluto presente na solução dividido pelo equivalente químico.000 ml. e não em 1000 ml. onde o número de moles corresponde à massa em gramas do soluto adicionado à solução dividida pelo seu mol. n é o número de moles. ou seja: n=m/M O milimol (mM) corresponde a milésima parte de um mol e o micromol (μM) a sua milionésima parte. pode-se expressar quantitativamente a relação soluto/solvente em concentração molal. Para os sais neutros: número de oxidação do cátion ou do ânion. temos uma relação volume a volume (v/v). nesse caso. como o soluto se dispersa no líquido e. por 100 g ou por 1. não produz expansão do volume da solução. definida pela dissolução de um mol do soluto em 1000 g do solvente. Quando soluto e solvente são líquidos. adicionamos 10 g do soluto em 100ml ou 1000ml de água. ou mililitros. Concentração molal.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Da mesma forma. Para uma solução aquosa de glicose a 10% ou a 10 por mil. como ocorre nas soluções molares ou normais: M = 1000 x m / V x M Concentração por cento ou por mil. Concentração molar (M) é a relação entre o número de moles do soluto e o volume da solução em litros. M=n/V Onde. podemos expressar a concentração simples em miligramas por 100 ou 1000 mililitros da solução. Em consequência da expansão ou contração dos líquidos decorrentes de variações na temperatura. Concentração normal (N) é o quociente entre o número de equivalente-grama do soluto e o volume da solução em litros. Assim sendo. portanto. Dessa forma. Podem-se expressar as concentrações das soluções em gramas. ou mililitros.000 g. do solvente. a quantidade do solvente adicionado será de 100 ml ou 1000 ml. A concentração molar tem como unidade o mol/l. a crioscopia e a osmoscopia. observa-se que o soluto vai se dissolvendo até que. que a solução está supersaturada. A coluna de mercúrio desce e estaciona a uma determinada altura. equilíbrio este que pode ser modificado por efeito da temperatura. a ebulioscopia. Diz-se. nesta condição. invertido e mergulhado em uma cuba que contém. também. como ocorre na dissolução de cloreto de sódio em água. diz-se que a solução está saturada. consequentemente. Quando adicionamos um dado soluto em um litro de água. Tonoscopia. Partes por milhão. a adição de mais soluto não mais se dissolve. A solução recupera seu estado de equilíbrio pela agitação do líquido ou pela agregação de uma pequena quantidade de soluto. tensão superficial. As propriedades coligativas das soluções são a tonoscopia. Da mesma forma. Solubilidade. por serem próprias aos átomos ou moléculas do soluto e solvente da solução. constitutivas e coligativas. a solubilidade diminui com a elevação da temperatura. mantendo-se constante a temperatura e a agitação. A elevação da temperatura determina um aumento da solubilidade do soluto e. etc. são somadas quando misturados. A maioria dos sais absorve calor quando se dissolvem. O calor absorvido ou liberado é denominado calor de dissolução. adicionamos 10 ml de álcool em 90ml ou 990ml de água. a solubilidade é pouco afetada pela temperatura. Um tubo de vidro é completamente cheio de mercúrio. como. Em caso de um corpo liberar calor ao se dissolver. quando se resfria lentamente uma solução saturada pode-se chegar a obter uma solução de maior concentração do que a correspondente a essa temperatura. por isso. um aumento da concentração da solução. Propriedades aditivas são aquelas que. Propriedades coligativas são aquelas que dependem unicamente da quantidade de partículas dispersas na solução e não de sua composição. com o soluto excedente precipitando-se. A maioria dos gases diminui seu volume ao dissolver-se. Do ponto de vista físico. a uma determinada quantidade. Propriedades das soluções. formando uma câmara inicialmente a vácuo. Não havendo absorção nem liberação de calor. Saturação de soluções. A pressão desempenha um papel importante na dissolução dos gases. o aumento da pressão aumenta a solubilidade dos gases. como ocorre nos gases. A concentração de uma solução saturada é influenciada pela temperatura e pressão em que se faz a dissolução. portanto. Nessa condição. solubilidade. o peso molecular e a carga elétrica. Tem-se um sistema em equilíbrio com duas fases (uma sólida e outra líquida).Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Para uma solução aquosa de álcool a 10% ou a 10 por mil. a solubilidade aumenta com o aumento da temperatura. ao se esfriar a solução a concentração volta a diminui. na dependência da pressão atmosférica. No entanto. as propriedades das soluções podem ser aditivas. precipitando-se para o fundo do recipiente. Soluções gasosas são expressas em partes por milhão (ppm) e se refere a quantidade de cada um dos componentes gasosos em números de moléculas que compõem um milhão de moléculas da solução gasosa. mercúrio (figura 4. A tonoscopia é o estudo da diminuição da pressão máxima de vapor de um solvente determinada pela dissolução de um soluto não volátil. O conhecimento dessas propriedades permite calcular o peso molecular e outras propriedades do soluto. por exemplo.1). A adição de uma gota de um 28 . Propriedades constitutivas são aquelas que dependem da distribuição dos átomos na estrutura da molécula ou do complexo como o índice de refração. 3. o solvente se desloca até a superfície do mercúrio em razão de sua menor densidade. Como nas soluções a tensão de vapor está diminuída. P’ é a pressão de vapor da solução.3). Figura 4. Se o experimento for repetido utilizando. em decorrência desse fato. M é o número de moléculas-grama do soluto por 1000g do solvente e K uma constante que depende do solvente e que equivale à diminuição de pressão que produz um mol do soluto. em conseqüência da tensão de vaporização do solvente e da ausência de uma força contrária a sua passagem ao estado de vapor.) do solvente puro (curva 1) e da solução (curva 2) em função da temperatura. P é a pressão de vapor do solvente puro. Procedimento para a medida da pressão de vapor. O fator determinante do grau de redução da pressão de vapor o número e não a natureza das partículas dissolvidas na solução.1.V. uma solução do mesmo solvente. Variação da pressão de vapor (P. A pressão de vapor que impede a vaporização de novas moléculas do solvente é denominada pressão máxima do vapor. é menor o número de moléculas do solvente disponíveis para passar ao estado de vapor. A diminuição da pressão de vapor da solução dividida pela pressão de vapor do solvente puro é igual à concentração molal do soluto por uma constante que depende do soluto: P – P’ / P = M x K Onde.2. Para que um líquido ferve é necessário que sua pressão de vapor se iguale a pressão atmosférica.4 se observa que enquanto o solvente puro ferve a uma 29 . exigirá maior elevação de temperatura para se obter uma pressão de vapor igual a pressão atmosférica. A pressão de vapor varia com a temperatura como pode ser observado na figura 4.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde solvente puro por meio de um conta-gotas através do extremo inferior do tubo. aumentando a sua pressão que exerce uma força contrária à vaporização. Figura 4. Na figura 4. Variação da pressão de vapor (P. Ebulioscopia.2. observa-se uma diminuição da pressão do vapor do solvente (figura 4. a gota do solvente passa imediatamente para o estado de vapor. dessa vez.) em função da temperatura. A redução da pressão de vapor é conseqüência da diminuição da concentração efetiva do solvente pelas moléculas do soluto e. Ao chegar a superfície.V. Figura 4. A adição de outras gotas do solvente aumenta a quantidade de vapor na câmara. como o gelo. é possível se determinar o peso molecular de uma substância dissolvida como mostrado na variação ebulioscópica. embora. as três fases.86ºC. ou seja. A diferença de temperatura Δte é diretamente proporcional a concentração molal e a uma constante K e que corresponde a elevação da temperatura de ebulição que produz um mol do soluto. tem uma pressão de vapor que diminui com a redução da temperatura mais rapidamente que nos líquidos. também é possível determinar o peso molecular M de uma substância dissolvida.515 Da mesma forma.86 Da mesma forma. é a diminuição crioscópica ocorrida na solução: Δtc = M x Kc O valor de Kc depende da natureza do solvente e para a água vale 1.86ºC.5. a crioscopia se aplica mais freqüentemente em Biologia que a ebulioscopia porque não destrói o material biológico utilizado. Temperaturas de ebulição do solvente puro (T1) e da solução (T2).515ºC. estão em equilíbrio. Os sólidos. 30 . A diferença t – t0. líquida e gasosa.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde temperatura T1. é dado por t0 e o da solução por t. uma solução desse mesmo solvente ferve a uma temperatura T 2 maior. A diminuição da pressão de vapor determina uma depressão simultânea da temperatura de congelamento. sólida. Essa diminuição crioscópica é diretamente proporcional à concentração da solução.4. No ponto de congelamento. na figura 4. A concentração molal de uma solução aquosa cuja redução da temperatura de congelamento é conhecido será: M = Δtc / 1. ou Δtc. para esse fim. Δte = Ke x M O valor Ke varia com o solvente e para a água é de 0. substituindo-se o valor de M por seu equivalente: Δte / Ke = 1000 x m / V x M M = Ke x 1000 x m / V x Δte Figura 4. A variação da temperatura de ebulição (te) depende da concentração molal da solução. Crioscopia. O ponto de congelamento do solvente puro. uma solução um molar em água congela a –1. As soluções congelam a temperaturas inferiores à do solvente puro. A concentração molal de uma solução aquosa é determinada facilmente conhecendo sua elevação ebulioscópica: M = Δte / 0. 7.5. No equilíbrio: p1 = p2 e v1 2 = v2 1 Observe a figura 4. de maior pressão. até que. Um recipiente 1 se comunica através de um tubo de conexão com o recipiente 2. Ambos contém o mesmo gás a diferentes pressões. Os compartimentos se comunicam através de um tubo que. inicialmente fechada. A variação da temperatura de congelamento (tc) depende da concentração molal da solução. Figura 4. Temperaturas de congelamento do solvente puro (T1) e da solução (T2). No primeiro momento. a pressão p 1 diminui. até que as velocidades se igualam e o sistema atinge o equilíbrio dinâmico. No equilíbrio: c1 = c2 e v1 2 = v2 1 31 . Osmoscopia. Considere os compartimentos 1 e 2 representados na figura 4. enquanto aumenta a do recipiente 2 para o 1. É o estudo da influência da adição de um soluto a um solvente na osmose. as moléculas de ambos os compartimentos se deslocarão ao longo do tubo.7. haverá um movimento livre de moléculas entre ambos os compartimentos. Aberta a comunicação. O recipiente 1 contém uma solução de concentração c 1 maior que a concentração do recipiente 2 (c2). Difusão.6. da solução mais concentrada c1 para a de menor concentração c2 com intensidade maior que do recipiente 2 para o 1. encontra-se fechado. se moverão para 2 em maior número que no sentido inverso (de 2 para 1). Inicialmente: c1 > c2 e v1 2 > v2 1 A intensidade do movimento de moléculas do recipiente 1 para o 2 tende a diminuir.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Figura 4. sendo p1 > p2. Inicialmente: p1 > p2 e v1 2 > v2 1 Com a passagem de moléculas do compartimento 1 para o 2. o sistema atinge o equilíbrio dinâmico. as moléculas do gás do compartimento 1. inicialmente. enquanto a pressão p2 aumenta. O movimento do gás do compartimento 2 para o 1 aumenta enquanto a velocidade do 1 para o 2 diminui.6. quando as pressões se igualam. Figura 4. Aberta a comunicação. Balões 1 e 2 contendo o mesmo gás a diferentes pressões. Recipientes 1 e 2 contendo soluções a diferentes concentrações. do peso molecular. 1. Esse movimento ocorre sem gasto de energia. através da comunicação entre os compartimentos. da área através da qual ocorre a difusão e da temperatura. o dispositivo é submerso em um recipiente contendo água pura ou uma solução de menor concentração. define-se difusão como o movimento de substâncias (átomos. Em um recipiente de paredes impermeáveis à exceção de sua parede inferior. a pressão osmótica varia diretamente proporcional à temperatura da solução. sendo inversamente proporcional a viscosidade do meio de difusão. ou seja. Considere a figura 4. Representação esquemática do dispositivo utilizado para o estudo da osmose e da pressão osmótica. fechada por uma membrana semipermeável. A essa pressão mecânica capaz de cessar a osmose denomina-se pressão osmótica. a pressão osmótica varia diretamente proporcional a concentração da solução. A coluna líquida ascende através do tubo vertical até determinada altura em conseqüência da expansão do volume do líquido no compartimento 2. coloca-se uma solução de determinada concentração. o que faz aumentar progressivamente a pressão hidrostática sobre a membrana semipermeável. moléculas) do meio onde se encontram em maior concentração (ou de pressão) para o meio de menor concentração (ou de pressão) a fim de torná-los homogêneos. introduzindo-se uma constante de proporcionalidade (k) para tornar a relação acima uma igualdade. Figura 4. íons.8. 2. À concentração constante. 32 . Leis da osmose. O processo ocorre sem gasto de energia como conseqüência da energia cinética das moléculas. da solução mais diluída para a mais concentrada a fim de igualar as concentrações. Em seguida. ou da raiz quadrada do peso molecular (quando tratar-se de um gás) da substância em difusão e da distância a percorrer. pressão esta que se opõe ao movimento do líquido do compartimento 1 para o 2. utilizando a energia interna do sistema. Quando as duas forças tornam-se iguais o movimento osmótico do solvente cessa. Osmose. Pαn/Vxt Ou. da solubilidade da substância no meio. A velocidade da difusão de uma substância em um meio varia diretamente proporcional a diferença de concentração ou de pressão (quando tratar-se de gases) entre dois pontos considerados. 1 – solvente puro 2 – solução Movimento do líquido 2 Elevação da coluna líquida 1 Observando este experimento. permeável apenas ao solvente. À temperatura constante. Conhecendo-se a altura alcançada pela coluna líquida. define-se osmose como o movimento do solvente através de uma membrana semipermeável. Nessas condições. se observa a ascensão do líquido pelo tubo vertical determinada pelo movimento do líquido do compartimento 1 para o compartimento 2 através da membrana semipermeável. pode-se calcular a pressão hidrostática que equivale a força osmótica.8 que representa um dispositivo utilizado para o estudo da osmose. tendo como força propulsora a própria energia cinética das moléculas.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Observa-se pelos exemplos anteriores que o movimento das moléculas ocorre espontaneamente. Dessa forma. De menor concentração (menor pressão osmótica). o que corresponde a uma solução de cloreto de sódio a 0. Essas soluções são. denominado fator de Van’t Hoff. As soluções são isotônicas. As soluções de ácidos. Observa-se o movimento do líquido da solução 1 para o interior da célula. Lei de Van’t Hoff. Avogrado. O meio interno (solução 2) em relação à solução 1 (externa) pode estar: 1.76 atmosfera. aumentam o número da partículas dissolvidas. portanto. Esse comportamento das soluções iônicas exige a introdução de um fator de correção para a fórmula da pressão osmótica.4 atmosferas. intensificando. Nesse caso. A solução 2 é hipotônica em relação ao meio externo. Um corpo dissolvido se comporta como se estivesse em estado gasoso ocupando o mesmo volume. não se observa movimento resultante de líquidos entre os dois meios. liberando o conteúdo intracelular (figura 4.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde P. Quando se submete uma célula a uma solução de diferentes concentrações. que representa o número de vezes que as propriedades coligativas de uma solução iônica determinada é maior que o da solução não iônica de igual concentração . observa-se movimento do líquido no sentido de equilibrar as pressões entre os meios interno e externo. a água se move para dentro da célula em obediência ao gradiente ósmótico provocando a turgescência da célula e até ao rompimento da membrana celular pelo excesso de líquido intracelular. 3.V = n. consideradas fisiológicas. dessa forma. nas condições normais de temperatura e pressão.9% ou a uma solução de glicose a 5.9. A pressão osmótica do sangue é igual a P = 0. o que não altera o volume celular.t Essa equação é semelhante à de Guy Lussac que descreve o comportamento dos gases perfeitos. De igual concentração (mesma pressão osmótica). De maior concentração (maior pressão osmótica). Dessa forma. Outros exemplos de soluções fisiológicas são o ringer lactato e a solução tyrode. bases e sais em meio aquoso se dissociam liberando íons e. os efeitos coligativos da dispersão. Uma solução 1 molar contém 6. em relação ao seu meio interno. e. isotônicas em relação ao sangue. dá-se o movimento do liquido do meio interno para o externo.9) Figura 4. Essa solução é hipertônica em relação ao meio externo. fazendo a célula perder água e murchar (figura 4. 2.023 x 10 23 moléculas e exerce uma pressão osmótica de 22. em consequência. e consequentemente sua pressão osmótica.k. sendo. 33 . .4%.10). De acordo com o volume de líquido que penetra na célula. por isso. aumentando o seu volume. a membrana celular poderá romper. a constante k recebe valores iguais aos da constante universal dos gases. Efeito osmótico sobre células: o meio extracelular (1) é hipotônico em relação ao líquido intracelular. O coeficiente i é sempre maior que a unidade e é diretamente proporcional ao número (n) de íons em que se dissocia cada composto e o grau de dissociação (α) do eletrólito: α = número de moléculas dissociadas / número de moléculas totais i = 1 + α(n – 1) De Vries. Fator de Van’t Hoff. portanto. Movimento browniano. Os colóides podem ser classificados em suspensóides ou emulsóides. No entanto. Em torno do núcleo da micela. Adsorcibilidade. se forem polares. a água se move para fora da célula em obediência ao gradiente ósmótico provocando o murchamento da célula.Propriedades dos colóides Capacidade de dialisar. aqueles que se destroem rapidamente. os colóides apresentam elevado poder adsorvente. Floculação. por ação de forças eletrostáticas. fixando por forças físicas. moléculas menores ou íons de carga contrária. podem ser estáveis. o que confere a estas dispersões características próprias. as micelas de um colóide migram sob ação de um campo elétrico. Efeito Tyndall. em uma determinada direção movendo-se para o eletrodo de carga contrária. Pressão osmótica. Interação entre dispergente e micelas. Em função destas cargas. A maioria dos colóides. em virtude de sua baixa concentração. O potencial gerado pela distribuição destas cargas denomina-se potencial zeta. Quando há atração entre seus componentes. Colóides são dispersões cujo tamanho médio do disperso varia entre 1 e 100 milimicra. consegue-se determinar a existência de pressão osmótica. de modo aleatório e desordenado. não apresenta pressão osmótica pelo menos mensurável pelas técnicas atuais. Este movimento decorre da agitação molecular do dispergente e da repulsão eletrostática entre as micelas. na dependência do tipo e do valor da carga elétrica da micela. ou instáveis. o colóide é denominado liófilo ou hidrófilo (quando o dispergente é a água) e liófobo ou hidrófobo. apresentando vida longa. atualmente. dependendo da interação entre seus componentes. Devido a grande superfície exposta pelas micelas. os colóides podem ser positivos ou basóides. . Os colóides não dializam ou o fazem com velocidades muito reduzidas. Esta carga elétrica deve-se a adsorção de íons existentes no dispersante. O termo precipitação ou sedimentação é utilizado quando o processo de destruição é reversível e coagulação. 34 . Classificação dos colóides. dispõem-se outros íons ou as próprias moléculas do dispergente. O processo de destruição do colóide chama-se floculação. em caso contrário. Assim sendo. O efeito Tyndall consistem em tornar visível a presença das micelas pela difração que produzem em um feixe de luz perpendicular ao raio de visada do observador. quando o fenômeno é irreversível. Os colóides. Estrutura do colóide.10. As micelas estão em constante movimento. como a água. Colóides A compreensão da organização e propriedades dos colóides é importante em razão de os líquidos orgânicos serem de natureza coloidal. As dimensões das micelas determinam o fenômeno da difração da luz. As moléculas dispersas formam o núcleo da micela e são dotadas de carga elétrica todas de mesmo sinal para cada colóide.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Figura 4. negativos ou acidóides ou anfolitóides dependendo do pH do meio. Efeito osmótico sobre células: o meio extracelular (1) é hipertônico em relação ao líquido intracelular (2). elevando-se a concentração a limites especiais. Um colóide está organizado em uma estrutura denominada micela ou tagma. que nos colóides é denominado dispergente. Se 100 ml da solução contém 5. liberam parte do dispergente.000 ml de uma solução de glicose a 5. portanto. em uma determinada concentração. não formam geléia. Caracterizam-se por apresentar concentração elevada. instáveis.5 g / 58. as micelas são capazes de se concentrar nas superfícies. 1.5 g/mol x 1 l = 0. em forma sol. próximo da membrana celular.03 mol/litro 2. A adição de eletrólitos pode levá-lo a destruição irreversível. Os suspensóides são destruídos reversivelmente. sendo. pouco viscosos. fenômeno denominado sinérese. Dado: massa molar da glicose (C6H12O6) = 180 g/mol. Estes colóides apresentam baixa concentração.5 g/mol) e da sacarose (C 12H22O11 – 342 g/mol). em forma gel. Em consequência de sua liofilia.000 ml contém 54 g do soluto. assim como o deslocamento de organelas citoplasmáticas no gel intracelular. De acordo com a consistência. produzem espuma e apresentam efeito tyndall fraco. Calcule a sua concentração em mol/l de cloreto de sódio e de sacarose. sendo a sua porção mais externa.5 g/l) e de sacarose (11 g/l). O protoplasma celular é um colóide que apresenta as duas consistências. a afinidade entre micelas e dispergente é baixa (liófobos). denominadas haptógenas. como consequência. Este fenômeno ocorre no leite e no sangue. não produzem espuma. no entanto. Os emulsóides em função da elevada viscosidade podem apresentar elastecidade e. ou de maior consistência como consequência da perda de grande parte do despergente. São estáveis. o colóide pode ser mais fluido. O soro caseiro recomendado para a reidratação oral em crianças desidratadas consiste de uma solução de NaCl (3. Esta propriedade explica a migração de partículas através de geléias.4 g de glicose. criando verdadeiras membranas. mNaCl = 3.5 g/l mSacarose = 11 g/l Mol/litro = m / massa molar x V Para o NaCl: Mol/litro = 3. de destruição irreversível. Emulsóides são colóides cujas micelas estão constituídas por substâncias orgânicas. Devido a intensa ação superficial. gelatina e plasma.4%. está na forma sol e. aglutinando a parte sólida e liberando o soro. viscosidade elevada e são capazes de formar geléia.06 mol/litro Para a sacarose: Mol/litro = 11 g / 342 g/mol x 1 l = 0. A grande estabilidade dos emulsóides pode ser quebrada com a adição de grandes quantidades de eletrólitos. como por exemplo ocorre no leite. A afinidade micela dispergente é alta (liófilo) e de elevada ação superficial. este fenômeno independe da carga e da valência do íon. sabões e tintas. Dados: massa molar do NaCl (58. leite. São exemplos de colóides suspensóides o ágar. após a coagulação. fenômeno este denominado imbebição. A instabilidade deste colóide é muito dependente da carga elétrica das micelas. tem ação superficial baixa e produzem efeito Tyndall forte. adquire a forma de geléia. As geléias quando são submetidas a pressão tornam-se fluidas. EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 1. Os emulsóides.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Suspensóides são colóides cujas micelas são constituídas por substâncias inorgânicas. fenômeno denominado tixotropia. Calcule a concentração em mol/litro de 1. as micelas fixam grande quantidade de moléculas do dispergente. 35 . mais internamente e ocupando maior parte de sua extensão. 5 g = 0.08 Eq-g x  x = 0. Em condições normais.9% (soro fisiológico) Dados: massa molar do NaCl = 58.1 g/litro de Ca2+.26 g/litro de Na+ e 0.08 Eq-g Como.3 mol/litro 3.000 miliEq-g 0.005 Eq-g ou 5 miliEq-g NEq-g = m / Eq-g Para o K+: Para o Na+: Para o Ca2+: Eq-g = 23 / 1 = 23 g Eq-g = 40 / 2 = 20 g 4.5 g NEq-g = 4. o soro sangüíneo humano contém 0. Quantos miliEq-g de Na+ e de Cl.2 g/litro de K +. 36 .Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Concentração em mol/litro: Mol/litro = m / massa molar x V Mol/litro = 54 / 180 x 1 = 0.5 / 1 = 58.5 g de NaCl Para o Na+: NEq-g = m / Eq-g  Eq-g = Peso atômico / nox do Na+ ou Cl- NEq-g = 4.  Eq-g = Peso atômico / nox do elemento NEq-g = m / Eq-g  Eq-g = 39 / 1 = 39 g NEq-g = 0.000 = 80 miliEq-g de Na+ Repetindo para o Cl. 3.5 g / mol. K+ = 39. Ca2+ = 40).1 / 20 g = 0. Dados: Pesos atômicos (Na + = 23.9 g de NaCl 500 ml  x g de NaCl x = 4.005 Eq-g ou 5 miliEq-g NEq-g = m / Eq-g  NEq-g = 3.5 / 58.estão contidos em 500 ml de uma solução de NaCl a 0.08 x 1.26 / 23 g = 0.  Concentração = 0.= 80 miliEq-g.9% 100 ml  0. Calcule em mEq/litro as quantidades correspondentes de cada um dos íons.142 Eq-g ou 142 miliEq-g NEq-g = m / Eq-g  NEq-g = 0.2 / 39 g = 0.5 / Eq-g  Eq-g = 58. 1 Eq-g  1. SAIS. que se comporta como receptor (base). De acordo com a definição clássica.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Capítulo 5 ÁCIDOS. NaCl  2H2O Observe que o íon hidrônio doa um próton para a hidroxila para formar uma molécula de água. Por isso. cujo átomo de oxigênio é eletronegativo. A hidroxila é. como a água. os ácidos clorídrico (HCl) e o sulfúrico (H 2SO4). Conceito de Brönsted. eles se unem à moléculas de água. dessa forma. H3O O íon formado pela união do próton e da água denomina-se íon hidrônio (H 3O). Por outro lado. sendo. HCl  Cl. quando um ácido cede prótons ao dissociar-se em solução aquosa. se dissociam liberando íons hidrogênio (H+). H3O+  Na + OH. como. De acordo com o conceito de Brönsted. H3O H2SO4  H2O  SO42. O íon H  é um próton que por suas dimensões reduzidas e carga elétrica positiva exerce uma grande atração eletrostática e se une a outras moléculas e íons de carga contrária. não se aceita a existência de íon hidrogênio (H ) em forma estável em solução. uma espécie aprótica. em solução aquosa. nem uma base. H3O NaOH  Na  OH- Cl. enquanto o íon Na + não recebe nem doa prótons. os ácidos são espécies químicas que. Observe a reação de dissociação do NaOH: NaOH  Na  OHNessa dissociação. NaOH  Na  OHCa(OH)2  Ca  2OHAtualmente. um ácido é toda espécie química capaz de doar prótons (H) a outra espécie química e base é a espécie química que pode receber prótons de outra. pH DE SOLUÇÕES Ácidos e bases. portanto. observe a seguinte reação de neutralização do HCl pelo NaOH que resulta na formação do cloreto de sódio (NaCl): HCl  H2O  Cl. uma base. São exemplos os hidróxidos de sódio (NaOH) e de cálcio (Ca(OH) 2). a dissociação de um ácido consiste na transferência de um próton (conceito de ácido pela definição clássica e por Brönsted) para outra substância. exibindo comportamento ácido. nenhum próton H+ é doado nem recebido por espécies químicas. H H2SO4  2 H  SO42Bases são espécies químicas que em solução aquosa dissociam-se liberando íons hidroxila (OH -). a representação correta das reações de dissociação dos ácidos. 37 . por isso. o NaOH não é um ácido. Dito assim. Em consequência. BASES. exemplificadas acima é: HCl  H2O  Cl. por exemplo. origina um ácido. A velocidade de uma reação química é calculada. Em geral. considere a equação em equilíbrio: 1 HCl  H2O Cl. No entanto. a velocidade da reação seria representada por: v1 = k1 x [A]a x [B]b 38 . o hidrônio se comporta como ácido ao doar H + ao Cl. Os sais resultantes. o HCl doa H (ácido) a água (base).Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Nessas reações. completando suas respectivas reações. Por exemplo. As reações químicas são representadas por equações. mantém seus caráter ácido e básico e podem reagir com outras moléculas de NaOH e HCl. comportamento ácido. diz-se que um ácido e base que resulta dele ao perder um próton constituem um par de ácido e base conjugados. NaHSO4  NaOH  Na2SO4  H2O CaOHCl  HCl  CaCl2  H2O Equilíbrio de reações. respectivamente. sendo. Observe os seguintes exemplos: H2SO4  NaOH  NaHSO4  H2O Ca(OH)2  HCl  CaOHCl  H2O As reações de salificação anteriores resultam. em sais ácido e básico. No entanto. é um sal neutro. o NaCl. ao recebê-lo. Em geral. o HCl e o Cl . Da mesma forma. Para a reação geral. estando cada concentração elevada a um expoente igual ao seu respectivo coeficiente. portanto. por reações parciais. a reação pode ocorrer de modo parcial.(base). NaHSO 4 e o CaOHCl. em outras reações a água pode doar H+. NH3  H2O  NH4+  OHAs espécies químicas que podem ceder e receber prótons. A e B representam os reagentes e X e Y os produtos. Considere agora a reação no sentido 2. a água se comporta como receptador de prótons. em obediência ao sentido (indicado pela flecha) da reação química. são denominadas espécies anfipróticas. resultando em sais ácidos ou básicos. apresentando. como por exemplo a água. o são o hidrônio (H3O+) e a água (H2O). de acordo com a lei de Guldberg-Waage. pelo produto da concentração molar dos reagentes. dá lugar a uma base e toda base. Os sais são espécies químicas resultantes da reação entre um ácido e uma base de acordo com a definição clássica. H3O+ 2 + Na reação 1. todo ácido ao ceder um próton. produzindo sais neutros. ou seja. Observe a seguinte reação geral: aA  bB  xX  yY Nessa reação. uma base. também. A essa reação dá-se o nome de neutralização ou salificação: HCl  NaOH  NaCl  H2O Essa reação de salificação é completa e o sal resultante. ou incompleta.formam um par de ácido e base conjugados. onde a flecha representa o sentido da reação. 98. Portanto. o α é igual a 98% ou 0. Observe a reação de dissociação do ácido clorídrico: HCl  H2O Cl. A constante de equilíbrio (K). de acordo com a lei de Guldberg-Waage. Em geral. a reação ocorre predominantemente no sentido 1. o k é uma constante de proporcionalidade e os colchetes representam as concentrações molares dos reagentes. ou seja. e 2. o equilíbrio se estabelece com aproximadamente 98 moléculas dissociadas para cada 100 moléculas iniciais (HCl). No caso do ácido clorídrico. anteriormente definida. as reações químicas são reversíveis. Nesse caso: v1 = v2 Substituindo v1 e v2 por suas respectivas equações: k1 x [A]a x [B]b = k2 x [X]x x [Y]y Trazendo para o primeiro termo as constantes de velocidades: k1 / k2 = [X]x x [Y]y / [A]a x [B]b O quociente k1 / k2 expressa a constante de equilíbrio (K) da reação. É o equilíbrio que se estabelece entre uma espécie química e seus íons. como o produto das concentrações molares dos produtos da reação. Progressivamente. se estabelece o equilíbrio entre o HCl e seus íons Cl . A velocidade da reação no sentido 1 diminui e. Para toda reação de dissociação pode-se determinar: 1. as reações químicas podem ocorrer nos dois sentidos. o número de moléculas dissociadas de cada 100 moléculas iniciais. H3O+ Nessa reação. dividido pelo produto das concentrações molares dos reagentes. a velocidade da reação seria determinada por: v2 = k2 x [X]x x [Y]y Quando as velocidades em ambos os sentidos se igualam a reação atinge o equilíbrio.e H3O+. quando estabelecido o equilíbrio. o valor do α é expresso em percentagem. 39 . o grau de dissociação iônica seria. inicialmente. Em geral. o número de moléculas dissociadas de cada 100 moléculas adicionadas à reação. de acordo com a reação 2. aumentando a sua velocidade proporcionalmente ao aumento de suas concentrações. a constante de equilíbrio é definida.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Onde. com o aumento da concentração. ou seja. os reagentes reduzem as suas concentrações enquanto se acumulam os produtos X e Y. Nesse caso. Considerando a reação de dissociação do ácido clorídrico. podemos representar ambos os sentidos da reação: aA  bB  xX  yY Ao se adicionar as substâncias A e B ao meio da reação. v1 > v2 No sentido 2. estando cada concentração elevada a um expoente igual a seu respectivo coeficiente. K = [X]x x [Y]y / [A]a x [B]b Equilíbrio iônico. O grau ou coeficiente de dissociação iônica (α) que pode ser definido como o quociente entre o número de moléculas dissociadas até o equilíbrio e o número inicial de moléculas. os produtos reagem entre si. K = [H3O+] x [OH-] / [H2O]2 Ordenando os termos da equação: K x [H2O]2 = [H3O+] x [OH-] O produto K x [H2O]2. ou seja. o que significa dizer que praticamente todas as moléculas de HCl cedem prótons. O pH e o pOH de uma solução é o logaritmo do inverso da concentração de íons hidrônios e hidroxilas. denominado produto iônico da água. a água é uma base mais forte que o íon cloreto. é de 10-7 mol/litro. Ácidos ou bases fortes: α > 95% Ácidos ou bases moderados: 5% < α < 95% Ácidos ou bases fracos: α < 5% Equilíbrio iônico da água. tem-se: Kw = 10-14 Substituindo o valor do Kw na equação do produto iônico da água: [H3O+] x [OH-] = 10-14 Conceito de pH e pOH. quase completamente deslocado para a direita. ácidos e bases quando em solução aquosa. 40 . as suas capacidades reativas quando em solução. Portanto. Como anteriormente visto. a água e o íon cloreto tendem a receber prótons.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Na reação de dissociação do ácido clorídrico. o HCl e o íon hidrônio são ácidos. liberam íons H 3O+ e OH-. assim. de acordo com a definição de Brönsted. A reação de dissociação da água é representada pela seguinte equação: H2O + H2O  H3O+ + OHPara o equilíbrio iônico da água. diz-se que o ácido clorídrico é um ácido mais forte que o íon hidrônio. Kw = [H3O+] x [OH-] As concentrações molares de íons hidrônio e hidroxila na água pura a 24ºC. moderados ou fracos. Por outro lado. A interação entre as próprias moléculas da água induz reações de dissociação iônica. mas o equilíbrio se encontra. De acordo com os conceitos anteriormente expostos. mesmo em maior estado de pureza. A concentração desses íons livres no meio aumenta a capacidade ou força reativa da dissolução. Esse fato pode ser demonstrado uma vez que a água. Por isso. O ácido clorídrico e o íon hidrônio tendem a ceder prótons. é uma constante denominada Kw. enquanto que os íons hidrônio não o fazem. em consequência. mas essa tendência para a água é extremamente maior. os ácidos e as bases podem ser classificados em fortes. embora o faça fracamente. determinada laboratorialmente. de acordo com a definição clássica. a força de um ácido ou base. é condutora de corrente elétrica. nesse caso. A água encontra-se em equilíbrio com seus íons. o que significa que há íons dispersos. respectivamente. as moléculas da água ligam-se aos prótons e os átomos de cloro permanecem na forma de íons cloreto (Cl -). e a água e o íon cloreto (Cl -) bases. O α expressa numericamente o grau de dissociação e. a constante de equilíbrio é igual a: K = [H3O+] x [OH-] / [H2O] x [H2O] Ou. Substituindo os valores na equação do produto iônico da água. comportamento básico. Substâncias anfóteras e soluções tampão. como aquelas geralmente formadas por moléculas grandes (macromoléculas). substituindo o log do inverso por p que o representa. denomina-se pKw o logaritmo do inverso do valor numérico do produto iônico da água. tornando o meio mais reativo. Retomando-se a expressão. apresentam em suas estruturas vários grupamentos atômicos capazes de doar. da seguinte forma: pKw = pH + pOH Assumindo as definições de pH e pOH. exibindo comportamento ácido. expressando a elevação da concentração molar de íons hidrônios livres na dissolução.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde pH = log 1 / [H3O+]  pH = -log [H3O+] pOH = log 1 / [OH-]  pOH = -log[OH-] Retomando a equação do produto iônico da água: Kw = [H3O+] x [OH-] Que expressa em logaritmos: log Kw = log [H3O+] x [OH-] log Kw = log [H3O+] + log [OH-] Multiplicando a expressão por –1: -log Kw = -log [H3O+] + (-log [OH-]) Reescrevendo a expressão: log 1 / Kw = log 1 / [H3O+] + log 1 / [OH-] Essa expressão pode ser reescrita. As dissoluções com pH menores que 7 são ácidas e a acidez aumenta quando o valor numérico do pH tende a zero. As substâncias anfóteras (ou polieletrólitos). log Kw = log [H3O+] + log [OH-] Substituindo o valor do Kw (10-14): log 10-14 = log [H3O+] + log [OH-] -14 x log 10 = log [H3O+] + log [OH-] Multiplicando a expressão por –1 e substituindo o valor do logarítmo decimal de 10: 14 = -log [H3O+] + (-log [OH-]) Usando a definição de pH e pOH: pH + pOH = 14 Considerando a escala numérica de 0 a 14 que representa os valores que podem assumir o pH (e o pOH) de uma dissolução: pH acidez 0 alcalinidade 7 14 Uma dissolução que apresenta pH igual a 7 é neutra. ou receber. 41 . ao ceder ou receber prótons.+ H3O+ A constante de equilíbrio para essa reação é dada por: Kácido = [A-] x [H3O+] / [HA] x [H2O] Com o objetivo de simplificar a igualdade. impedindo a variação do pH da solução. disponíveis em grande concentração e com alta afinidade química.+ H3O+ B+ + A- Nessa solução se encontram em grandes concentrações o ácido (HA) pouco dissociado e as formas dissociadas do sal (B+ e A-). As soluções tampão são constituídas por um ácido fraco e seu sal de base forte e seu sal de base forte. adquire carga positiva.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde prótons (H+) do meio. ditas peptídicas. se for neutra. de acordo com a reação: HA + OH. assumem uma carga elétrica diferente da original. reagem com o ânion do sal (A-) produzindo o ácido fraco (HA) que se dissocia muito pouco. Esses grupamentos atômicos. diminuindo a concentração dos íons H + na solução. retira-se a molécula de H2O de ambos os termos: Kácido = [A-] x [H+] / [HA] Fazendo a reordenação tem-se: [H+] = Kácido x [HA] / [A-] O inverso dessa equação é: 42 . Na presença de H+ livres no meio. as soluções tampão resistem a variações do pH do meio mantendo pouco variáveis as concentrações do H+ e OH. os grupamentos com hidrogênios disponíveis (-NH 3+ e –COOH) os liberam para o meio. funções orgânicas mistas compostas por grupamentos ácidos (-COOH) e aminos (-NH 2). para soluções de ácido fraco e seu sal de base forte: Ácido fraco (α < 5%): HA + H2O Sal de base forte (α = 100%): BA + H2O A. Soluções tampão são soluções que resistem à variação do seu pH quando aumentam as concentrações de H+. modificando muito pouco o valor do pH da solução. HOOC – R – NH3+ + ↓ [H3O+] → -OOC – R – NH2 + ↑[H3O+] (↑[H3O+]) Soluções tampão. o grupamento amino retira um próton do meio (comportamento básico) adquirindo carga positiva. da solução. reagem com as moléculas do ácido fraco. portanto. Consideremos a reação de dissociação do ácido fraco: HA + H2O A. As proteínas são constituídas por aminoácidos. são importantes reguladores da concentração de íons hidrogênio nos líquidos orgânicos. HOOC – R – NH2 + H3O+ → HOOC – R – NH3+ + H2O (↓ [H3O+]) Na redução da concentração de H+ livres no meio.→ A. ao aceitar um H + se torna neutro. portanto.+ H2O Essa reação evita a elevação da concentração de OH -. Em caso de apresentar carga negativa. ou de OH-. aumentando a concentração de H + livres. unidos por ligações covalentes. reduzindo a concentração de H + livres. Quando aumenta a concentração de íons H + na solução. Quando íons hidroxilas são adicionados à solução. Considerando o primeiro caso. Dessa forma. por sua presença e quantidade.do meio. As proteínas. dentro de certos limites. Equação de Handerson-Hasselbach. atuam auxiliando nessa manutenção. que é mantido dentro de um intervalo muito pequeno de 7. o pH dos líquidos orgânicos. Esse ácido é formado pela reação entre o CO 2 (gás carbônico) e a água. em sua quase totalidade.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde 1 / [H+] = 1 / Kácido x [A-] / [HA] Expressando os termos em logaritmo: log 1 / [H+] = log 1 / Kácido x log [A-] / [HA] Introduzindo as definições de pH e pK: pH = pKácido + log [A-] / [HA] Essa igualdade. Os principais sistemas tampão e substâncias anfóteras nos líquidos orgânicos são: 1. 1 CO2 + H2O 1 H2CO3 + H2O HCO3. Portanto.44. Líquidos extracelulares: Sistema ácido carbônico / bicarbonato de sódio Sistema fosfato monossódico / fosfato bissódico Proteínas 2. como o ácido carbônico. como a albumina e a hemoglobina. a concentração de A -é muito alta e.+ H2O Mecanismo pulmonar de eliminação de ácido.+ H2O 43 . dentro de uma faixa muito estreita. A manutenção do pH do sangue é conseguida às custas de diferentes mecanismos que envolvem as substâncias anfóteras. em condições normais. por suas capacidades de liberar ou receber prótons H +. Líquidos intracelulares: Proteínas Hemoglobina A presença de substâncias anfóteras e de tampões auxiliam na manutenção. Na adição de H+: H+ + H2CO3 - Na adição de OH : - OH + H2CO3 H2CO3 (pouco dissociado) HCO3.04. o mais importante é aquele formado pelo ácido carbônico (H 2CO3) e seu sal. pode-se dizer que: pH = pKácido + log [sal] / [ácido] Importância dos sistemas de manutenção do pH nos líquidos biológicos. Os pulmões eliminam os ácidos ditos voláteis.36 e 7. proteínas.4 ± 0. a concentração do ácido (HA) é praticamente igual a do ácido total. portanto. como o ácido fraco encontra-se. Nesse caso. pode ser considerada igual à concentração do sal. Isso quer dizer que o sangue é ligeiramente alcalino. na forma não dissociada. podemos referir o pH do sangue. e as soluções tampão. admitindo. Sistema ácido carbônico (H2CO3) / bicarbonato de sódio (NaHCO3): Ácido fraco (α < 5%): H2CO3 + H2O A. Entre os tampões sanguíneos. Da mesma forma. denominada de equação de Handerson-Hasselbach. define o pH de uma solução tampão de um ácido fraco e seu sal de base forte em função de sua constante de dissociação e da relação entre a sua concentração e a de sua base conjugada.+ H3O+ Sal de base forte (α = 100%): NaHCO3 Na+ + HCO3 As espécies químicas predominantes são H 2CO3 e HCO3. Como exemplo. variações entre 7. como a dissociação do sal é praticamente total. o bicarbonato de sódio (NaHCO3). A lei da ação das massas estabelece que quando uma força atua sobre uma reação química em equilíbrio. As células tubulares secretam ativamente H+ reduzindo a concentração de ácidos do sangue. Qual o pH de uma solução cuja concentração hidrogeniônica é 10 -2 íons-grama/litro? A solução é ácida. que.. promovendo a perda de ácidos. anulando-o. Sob a forma de H2CO3 e HCO3. Substituindo o valor da concentração hidrogeniônica: pH = . se a quantidade de H+ secretado for igual a de HCO3.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde 2 2 Considere essas reações em equilíbrio. Nos tecidos.log [H+]. Em caso do H + está em maior quantidade que o HCO 3. Como o ácido acético é um monoácido. produzindo H 2CO3.54. liberando o CO2 que é eliminado na expiração. Mecanismo renal de regulação ácido-básico. força a reação (CO2 + H2O) no sentido 1.05 Normal. força a reação seguinte também no sentido 1 (lei da ação das massas). básica ou neutra? Aplicando a definição de pH: pH = . supondo-a 2% dissociada. Nesse caso específico.45 = 0. 3. Calcule o pH e o pOH de uma solução cuja concentração hidrogeniônica é 3.filtrado será reabsorvido e o H+ excedente eliminado. a sua concentração normal é igual a concentração molar.filtrado ambos serão reabsorvidos para o sangue. todo o HCO3. Calcule o pH de uma solução de ácido acético 0. O aumento do CO2 no sangue eleva a ventilação pulmonar que aumenta a eliminação de CO2 e provoca elevação do pH do sangue. Os rins excretam ácidos fixos (H +) ou bases atuando para equilibrar o pH do sangue.(reabsorvido para o sangue) No líquido tubular. EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO 1.45 íons-grama/litro. as reações se deslocarão no sentido 2.log 10 -2 Calculando: pH = -(-2 x log 10) => pH = -(-2 x 1) pH = 2 (solução ácida) 2. entende-se por força a elevação da concentração de um dos reagentes. A redução do CO 2 no sangue (PCO2) diminui a ventilação pulmonar que retém CO2. 44 . Os néfrons filtram grande quantidade de íons HCO 3-. por sua vez. a produção de CO 2 pelas células. aumentando a quantidade de ácido volátil do sangue e. Nos pulmões. diminui o pH do sangue. por ação das massas e por ação da enzima anidrase carbônica. ela se deslocará no sentido de anular a ação da força. sabendo-se que log 3. o CO2 produzido pelas células é transportado pelo sangue até os pulmões. atuando para manter a quantidade de bases do sangue. CO2 + H2O  H2CO3  H+ (secretado) + HCO3. A reação se deslocará no sentido do consumo do reagente. que podem ser eliminados pela urina ou reabsorvidos pelas células tubulares. em consequência. A expiração pulmonar de CO2 equilibra a produção celular de CO2. mantendo a pressão do CO2 (PCO2) normal (40 mmHg). 25 normal de uma monobase fraca que. 9./ H2CO3 é 6. Explique a importância deles nos líquidos biológicos. na temperatura da experiência.4% dissociada? Como se trata de uma monobase fraca.log 10-3 = -(-3 x log 10) = 3 pH = 3 4.1 Normal de hidróxido de amônio (NH 4OH) cujo grau de dissociação é de 1.25 x 10-4 M? Dado o pKa do tampão HCO3.25 x 0. Defina solução tampão e substância anfótera. Qual o pH de uma solução 0.5 => α = 1 / 0.25 x 0. encontrase 0.05 x 2 / 100 = 0.004 = 10-3 => pOH = .log 10-3 = -(-3 x log 10) = 3 pOH = 3 pH + pOH = 14 => pH + 3 = 14 pH = 11 5. Determinação do pH de Soluções 45 .05 x 0.5 α = 10-4 / 0. Qual o pH do plasma se a concentração de HCO 3.1 + log (2.4 / 100 pOH = .é de 2.5 x 10-4 α = 2 x 10-4 => α = 0.3% a 25ºC. a sua concentração normal é igual a concentração normal.4 8.25 x 10-4) => pH = 6.02 = 10-3 pH = .1 a 38ºC e o log 20 = 1.02% 7. sabendo-se que o pH dessa solução é igual a 10? pH = 10 => pOH = 4 [OH-] = 10-4 mol/litro => [OH-] = α x [BOH]inicial => 10-4 = α x 0.3.5 mol/litro. Calcule a concentração hidrogeniônica de uma solução 0.1 + log 20 => pH = 6. 6. [OH-] = concentração molar x α: [OH-] = 0. Explique como atuam os sistemas tampão de ácido fraco e seu sal de base forte e as substâncias anfóteras na manutenção do pH do meio. devemos utilizar a equação de Handerson-Hasselbach: pH = pKácido + log [A-] / [HA] pH = 6.1 + 1.log [H+] => pH = . Qual o grau de dissociação de uma base BOH em solução 0.log [OH-] = 0.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde A concentração molar hidrogeniônica: [H+] = concentração molar do ácido x α: [H+] = 0.5 x 10-3 M e a de H2CO3 é 1.3 pH = 7. Como se trata de uma solução tampão.5 x 10-3 / 1. Quando se adiciona ao meio de dissolução uma base forte. Percebe-se a completa mudança da cor quando uma concentração molar de uma das formas predominar sobre a da outra. A mudança de cor se deve a variação do grau de dissociação do indicador. circuitos elétricos e células eletrolíticas. e 0. Para isso. formando uma pilha cujo potencial é dado por Eo = Eoxi + Ered.+ H+ (pouco dissociado) Essa reação descreve.303 RT / Fn Modernamente dispomos de aparelhos para a aferição do pH de soluções de modo direto.e B+). a espécie química predominante é a forma molecular do ácido. Para a reação em equilíbrio. dois eletrodos de potenciais diferentes são mergulhados em soluções. para a determinação do pH de uma solução faz-se necessário a utilização de vários indicadores que apresentem diferentes intervalos de viragem em toda a escala de pH. Dessa forma. O método colorimétrico se baseia na propriedade de certas substâncias orgânicas (ácidos e bases fracas). cujo potencial gerado é lido diretamente como pH pela posição da agulha em uma escala ou por meio de uma escala digital. de mudar sua coloração em função do pH do meio.+ B+ A mistura do ácido fraco e o sal de base forte forma um sistema tampão. O método eletrométrico baseia-se na avaliação de fenômenos de oxi-redução que ocorrem na solução em função da concentração de íons hidrônios livres no meio. utilizam-se eletrodos. denominado intervalo de viragem. onde a forma molecular e a do íon exibem cores diferentes. que é levado para a equação de Nernst: E = Eo + 2.1. Observe a reação seguinte: HA A. O pH da solução tampão é determinado pela equação de Handerson-Hasselbach: pH = pKácido + log [sal] / [ácido] No tampão. cujos valores devem estar compreendidos entre 10. denominadas indicadores. o pHmetro. que possui um eletrodo de vidro (eletrodo de oxidação) sendo o outro substituído por um circuito eletrônico. a dissociação de um ácido fraco em seus íons. quando predomina o denominador (ácido). as espécies químicas representativas são o ácido (HA) e o ânion do sal (A -). No intervalo de pH onde ocorre a igualdade de concentrações de ambas as formas haverá a mudança de cor ou viragem. Como princípio geral de funcionamento. quando predomina no numerador (ânion do sal). que apresenta como espécies químicas predominantes o ácido (HA) e os íons do sal (A .Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde O pH de soluções pode ser determinado pelos métodos colorimétrico e eletrométrico. 46 . de modo simplificado. o que representa um intervalo de duas unidades na escala de pH. uma delas de pH conhecido e outra de pH desconhecido. determinando um quociente de 100. ocorre uma reação de salificação: HA + BOH BA + H2O O sal formado (BA) nessa reação se dissocia completamente: BA A. uma vez que não percebemos facilmente que a estamos perdendo. em temperatura ambiente amena (20ºC). em mililitros.1. dependendo da atividade metabólica.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Capítulo 6 LÍQUIDOS CORPORAIS E EQUILÍBRIO OSMÓTICO ENTRE COMPARTIMENTOS LÍQUIDOS CORPORAIS A água é a substância mais abundante nos seres vivos. A quantidade de água do organismo deve manter-se constante. A perda por difusão através da pele é de 300 a 40 ml por dia. Água corporal total. estando este equilíbrio na dependência do ganho e perdas diárias de água. Como os processos biológicos ocorrem. O volume total de água corporal depende da idade. este valor percentual se eleva pata 70 a 75% do peso corporal. As perdas diárias de água. antes de ser expirada. Equilíbrio hídrico. em torno de 2/3 da ingestão diária de água. A perda de água pelo sistema respiratório é conseqüência da umidificação do ar nas vias aéreas. ou seja. quantidade de tecido adiposo e da massa muscular presentes no organismo. A água é obtida principalmente por via oral através da ingestão de líquidos. Assim sendo. considerando a mesma massa corporal. Os indivíduos com massa muscular bem desenvolvida possuem mais água corporal do que aqueles com menor massa muscular. com a maior parte dessa redução ocorrendo nos primeiros dez anos de vida. Esta quantidade de água diminui progressivamente até a idade adulta. a água total corresponde a 50 a 55% do peso corporal. a obesidade reduz a proporção de água corporal para valores de até 45% do peso. Em um adulto. Os indivíduos obesos apresentam menor valor percentual de água corporal em conseqüência da presença de tecido adiposo. perde-se cerca de 1400 ml de água pela urina. explicado em parte pela maior quantidade de tecido adiposo presente em indivíduos do sexo feminino. entre 100 e 200 ml por dia é produzido endogenamente. Entre os sexos. Estas formas de perda de água são conhecidas como insensíveis. a quantidade de água expressa em valor percentual é da ordem de 57% do peso corporal em quilogramas. Nos recém-nascidos. A água pode ser perdida diariamente para o ambiente por diversas vias. sexo. é conveniente estudar a distribuição da água no organismo e definir os compartimentos que ocupa. Outras perdas de água corporal ocorrem por evaporação pelo sistema respiratório através do ar expirado e por difusão através pela pele. que contém uma pequena quantidade de água e contribui muito para o peso corporal. A perda media de água pelos pulmões é de 300 a 400 ml por dia. 47 . Em condições normais. 100 ml pelo suor e 100 ml pelas fezes. Nos idosos. pelas diversas vias são apresentadas na tabela 6. Uma pequena quantidade de água. como subproduto das reações de oxidação do hidrogênio. para uma pressão de vapor de aproximadamente 47 mmHg. e de alimentos sólidos. em sua maioria. a quantidade de água é maior nos indivíduos do sexo masculino. em meio aquoso. um adulto jovem do sexo masculino de 70 kg de peso contém aproximadamente 40 litros de água. Tabela 6. A maior quantidade de água deste líquido (mais de 99%) está na forma gel. O volume plasmático corresponde a 3 litros em um adulto normal de 70 kg.000 6. é de aproximadamente 5 litros. e a porção restante encontra-se na forma livre (pool de água livre). Compartimentos Líquido Intracelular Líquido intracelular (25 l) Celular em geral Glóbulos vermelhos (2 l) Extracelular Líquido extracelular (15 l)Líquido intersticial Plasma (3 l) Líquido cefalorraquidiano Líquido intra-ocular Líquido sinovial Líquidos do sistema gastrintestinal Líquidos dos espaços potenciais Pleural Pericárdico Peritonial O líquido intersticial se localiza nos espaços entre as células.600 Quadro 6. entre parêntesis. constituindo o pool de água fixa ou não mobilizável. O volume sangüíneo.1 apresenta a divisão dos líquidos corporais em compartimentos e.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Distribuição da água corporal. Divisão doa água corporal em compartimentos hídricos. Principais constituintes dos líquidos intracelular (LIC) e extracelular (LEC). Perdas hídricas diárias em mililitros. Temperatura ambiente Amena Perdas insensíveis Pele 350 Pulmões 350 Perdas sensíveis Urina 1400 Suor 100 Fezes 100 TOTAL 2300 Temperatura ambiente quente Exercício físico intenso 350 250 350 650 1200 1400 100 3300 500 5. A água corporal se distribui em diferentes compartimentos. Constituintes LEC LIC Na+ 142 mEq/l 10 mEq:l K+ 4 mEq/l 140 mEq/l Ca++ 5 mEq/l <1 mEq/l Mg++ 3 mEq/l 58 mEq/l Cl103 mEq/l 9 mEq/l HCO328 mEq/l 10 mEq/l Glicose 90 mg% 0 a 20 mg% Aminoácidos 30 mg% 200 mg% Colesterol Fosfolipídios 0. constituindo a parte acelular do sangue.2. Tabela 6. O quadro 6. sendo capaz de fluir e participar de trocas entre líquidos.2. Os principais constituintes dos líquidos intracelular (LIC) e extracelular (LEC) são apresentados na tabela 6.0 48 . muitos deles limitados por barreiras bem definidas e outros onde seus limites são imprecisos.4 7.1.1. a quantidade aproximada de água em relação a um indivíduo do sexo masculino de 70 kg de peso corporal. nestes indivíduos. Composição dos líquidos corporais.5 g% 2 a 95 g% Gordura neutra PO2 35 mmHg 20 mmHg () PCO2 46 mmHg 50 mmHg () pH 7. 000. Isto significa dizer que a albumina. 49 . cujos valores são de 8. proteína de peso molecular 70.3 J . ºK-1.2 x 10 -2 atm . igual ao número de íons em que se dissocia a substância: PxV=nxRxTxi No caso do cloreto de sódio (NaCl).3. costuma-se utilizar o miliosmol. 60% do líquido intersticial e 97% do LIC. P LIC contém pequenas quantidades de íons sódio (Na +) e cloreto (Cl-). grandes quantidades de íons potássio (K +) e fosfato (PO4-2) e quantidades moderadas de íons magnésio (Mg++) e sulfato (SO4-2). 8. mol-1 ou 8. cálcio (Ca++). na prática o fator i. A capacidade dos solutos de causar osmose e pressão osmótica é medida em Osmóis. poderíamos esperar que para o cálculo da pressão osmótica de uma substância dissociável bastaria incorporar a equação da pressão osmótica um fator de correção (i). este fator deveria valer 2 e para o sulfato de potássio (K 2SO4) 3. quase não possui cálcio (Ca++). ºK-1. ºK-1 . Osmolaridade dos líquidos orgânicos. Como sabemos. Cada molécula não difusível em dispersão reduz a quantidade de água livre do meio. kmol-1. O plasma contém grande quantidade de proteínas e o líquido intersticial muito menos. Equilíbrio osmótico e trocas líquidas entre o LIC e o LEC. A atividade osmótica exercida pelos diferentes constituintes dos líquidos orgânicos é apresentada na tabela 6. não alcança o número esperado e não é um número inteiro. Em geral. Líquido intracelular. cloreto (Cl-). Quando a concentração dos solutos é expressa em osmóis por litro. Quando uma molécula se dissocia em dois ou mais íons. diminuindo a tendência da água de difundir-se através da membrana que separa compartimentos líquidos. sulfato (SO4-2) e ácidos orgânicos. denominado fator de Vant Hoff. Em conseqüência. independentemente de seus pesos moleculares. Líquido extracelular. a pressão osmótica de uma solução é dada pela equação: PxV=nxRxT Onde. O osmol é a medida do número total de partículas e 1 (um) osmol é definido como a atividade osmótica exercida por 1 (uma) molécula-grama de qualquer substância não difusível e não ionizável. fosfato (PO4-2). No entanto. Os íons não difusíveis provocam osmose e pressão osmótica exatamente da mesma maneira que as moléculas não difusíveis.3 x 103 J. que corresponde a 1/1000 osmol. o osmol é uma unidade excessivamente grande para ser usado para expressar a atividade osmótica dos solutos nos líquidos orgânicos.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Proteínas 2 g% (5 mEq/l) 16 g% (40 mEq/l) As proteínas e os não eletrólitos perfazem aproximadamente 90% dos constituintes dissolvidos no plasma. mol-1. sendo quatro vezes maior que a do plasma. Para isso. magnésio (Mg++). a atividade osmótica de 1 mol de moléculas e 1 mol de íons é a mesma. R é a constante da equação dos gases perfeitos. Dessa forma. A quantidade de proteínas do LIC é grande. cada um deles passa a exercer efeito osmótico individualmente. bicarbonato (HCO3-) e pequenas quantidades de potássio (K +). exerce o mesmo efeito osmótico que uma glicose com peso molecular de 180. O LEC e o plasma contêm grandes quantidades de íons Na +. definimos a osmolaridade da solução. A pressão osmótica é proporcional à concentração de moléculas não difusíveis na dispersão. 2 4 301.8 5. A osmose começa imediatamente através das membranas celulares. tornando-o hipotônico em relação ao líquido intracelular. a desidratação pode ser classificada em:  Isotônica.  Aspiração gástrica e intestinal.2 Lactato 1. A água dilui o LEC.9 Pressão osmótica total 5. 50 . Substâncias osmolares nos líquidos orgânicos Constituintes Plasma + Na 140 K+ 4. O efeito global é denominado desidratação.6 0. as osmolaridades dos líquidos extra e intracelular iguais.  Vômitos.4 1.430 Pode-se acrescentar água ao líquido extracelular por injeção endovenosa.  Aumento de perdas sensíveis.4 108 28. temos a ingestão de água. infusão venosa de diferentes tipos de soluções.2 1. Intracelular 14 140 0 31 4 10 11 1 45 14 8 9 1.3. por absorção intestinal.430 Liq.  Queimaduras.5 5 3.2 5.5 2 0.5 Mg++ 1. Dentro de poucos minutos a água se distribui quase uniformemente em todos os compartimentos líquidos intra e extracelulares.  Privação de líquidos.3 2 0.2 Adenisina trifosfato Hexose monofosfato Glicose 5. Em todas essas condições. ao fazê-lo. De acordo com a proporção de água e eletrólitos perdidos. desidratação.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Entre os diferentes fatores que podem acarretar mudanças acentuadas nos volumes extra e intracelular. com grandes quantidades de água passando para o interior das células. sudorese e pelas fezes.6 Proteínas 1. A água pode ser perdida pelo organismo por evaporação através da pele e pulmões. H2PO42 SO4-2 0.2 Uréia 4 TOTAL mOsmol/litro 302.2 5. dessa forma. após ingestão. As principais causas de desidratação são:  Diarréia.5 Cl105 HCO327 HPO4-. parte da água intracelular passa por osmose imediatamente para o compartimento extracelular mantendo. perda de grandes quantidades de líquidos pelo aparelho gastrintestinal ou perda de quantidades anormais de líquido por sudorese ou através dos rins. Desidratação. a água deixa o compartimento extracelular e. Tabela 6. excreção de urina muito diluída. por injeção subcutânea e.453 37ºC (mmHg) Liq.2 Ca++ 2. Intersticial 142 4 2.5 Fosfocreatina Carnosina Aminoácidos 2 Creatinina 0.7 4 4 302. Desidratação hipertônica. resultando aumento de volume do LEC e diminuição do volume intracelular. 51 . a osmolaridade extracelular aumenta. ocasionando uma diminuição de concentração de solutos no LEC e a passagem de líquidos do espaço extracelular para o intracelular até que haja equilíbrio na concentração dos dois compartimentos. Como a perda de água provoca maior concentração do LEC. a pele é úmida e fria e pode ocorrer hipotensão e. É o tipo de desidratação conseqüente à perda pura de água e pode ocorrer por diminuição da ingesta ou por perda excessiva de água através dos pulmões. sua diurese é normal. pois com a passagem de água do intra para o extracelular há uma diminuição do volume celular que estimula o centro hipotalâmico provocando sensação de sede. baixando a pressão osmótica deste último. o fazem hipotonicamente. devido a ausência de estimulação do centro hipotalâmico de controle da sede. reequilibrando a pressão osmótica. Assim sendo. O único efeito é o aumento no volume líquido extracelular. Ao mesmo tempo. Quando uma solução hipertônica é administrada ao LEC.  Hipertônica. choque circulatório. A administração de uma solução hipotônica expande o volume e diminui a osmolaridade do LEC. Efeito da administração de soluções de diferentes concentrações ao LEC. o LEC não se modifica e não haverá osmose. aumentando a pressão osmótica do LEC. o que provoca movimento de água do líquido intracelular para o compartimento extracelular. Desidratação hipotônica. aumentando o volume intracelular. Outro mecanismo compensador que pode ocorrer é a secreção tubular renal de grandes quantidades de potássio. ocorre a desidratação. A perda de água e eletrólitos dá-se em proporções semelhantes do modo que não há variação da osmolaridade. se houver perda de água. tentando compensar a perda. além de aumentar o seu volume. às vezes. Se uma solução isotônica é infundida no compartimento extracelular. de forma que. O paciente não apresenta sede. Nos casos em que a perda de sódio é elevada. É conseqüência da perda de eletrólitos em maior proporção que a de água. a pressão osmótica do LEC torna-se maior que a do LIC. como a perda de água leva a diminuição do volume extracelular.Paulo Ramos  Hipotônica. ao se desidratarem. a água passa do líquido intra para o extracelular. estimulado pela diminuição da pressão osmótica do liquido intracelular em relação ao liquido intersticial. É o tipo de desidratação mais comum em crianças e tem como causa principal a diarréia. haverá um estímulo para a secreção do hormônio antidiurético (ADH) que irá produzir reabsorção tubular renal de água. Normalmente. haverá estímulo para a secreção de aldosterona e conseqüente retenção de sódio. já que os pacientes desnutridos encontram-se em hiposmolaridade. Quando os mecanismos de compensação falham. que ocorre toda vez que a perda for igual a 2% do peso corporal. no entanto. A principal causa é a desnutrição. Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Desidratação isotônica. o que vai acarretar queda de pressão osmótica celular e passagem de água do intra para o extracelular. elevando a osmolaridade em ambos os compartimentos. sua concentração sérica está baixa. há equilíbrio entre a pressão osmótica extra e intracelular. rins e trato gastrintestinal. o que causa movimento osmótico de água do LEC para o LIC. O paciente apresenta-se inicialmente com sede. quando sua concentração sanguínea for muito alta. não conseguem ingerir quantidades suficientes de alimento . As concentrações dessas soluções devem ser preferencialmente isotônicas ou administradas lentamente para que não provoquem importantes desequilíbrios osmóticos dos líquidos corporais. a elevação da osmolaridade extracelular mobiliza. em consequência. reduzindo a pressão intracraniana.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde As soluções de glicose hipertônica. A glicose é metabolizada pelas células para a produção de energia ou eliminada pelos rins. para fornecer nutrição a pacientes que. podem morrer devido ao aumento excessivo da pressão intracraniana que impede o fluxo sanguíneo para o cérebro. frequentemente por via endovenosa. caso persista a condição determinante. de outra forma. Várias soluções diferentes são administradas. Assim. No entanto. edema cerebral grave. de modo que a água poderá difundir-se novamente para o compartimento intracelular. por gradiente osmótico. essa condição pode ser aliviada. Nutrição parenteral. Portanto. sendo. O manitol e a sacarose são ambos excretados rapidamente pelos rins. injetando-se solução hipertônica de uma substância que não deixe o sangue passando ao compartimento intracelular. Podem ser utilizadas soluções de glicose. levando consigo grandes quantidades de água. aminoácidos e de gordura homogenizada. dentro de poucas horas. 52 . Nessa condição. os efeitos osmóticos dessas substâncias são perdidos. em pacientes vítimas de traumatismo crânio-encefálico e. em consequência. denominados diuréticos osmóticos. o líquido do edema cerebral. manitol ou sacarose são frequentemente injetadas a pacientes com o objetivo de reduzir rapidamente o volume líquido intracelular. As substâncias utilizadas como indicadores de temperatura são denominadas substâncias termométricas e podem ser utilizadas em diferentes estados físicos: sólido. que são utilizadas como substâncias termométricas. a energia mecânica (atrito. conhecidas por energia térmica. O estado térmico de um corpo pode ser avaliado qualitativamente pela sensibilidade térmica da pele. denominada energia cinética ou agitação térmica. como. o mercúrio é o indicador de temperatura preferido por apresentar pequena capacidade térmica. aleatórios e desordenados e colisões entre átomos e moléculas. apresentam como inconvenientes necessitar de grandes variações de temperatura para apresentar dilatações lineares significativas e mensuráveis. utilizados como substâncias termométricas. Outra característica importante do mercúrio é a de apresentar ponto de fusão de –39ºC e ponto de ebulição de +358ºC. Dentre os líquidos. permite-nos determinar o estado quente ou frio do corpo. deslocamentos livres. Ao trânsito da energia térmica dá-se o nome de calor. que dotada de receptores térmicos. como apresentar dilatação volumétrica de comportamento linear com a variação da temperatura e serem pouco influenciados pela pressão. os termômetros. obedecendo ao gradiente de energia. cor. Os líquidos mostram propriedades favoráveis. Termômetros. etc). resistência elétrica e pressão. conduzir bem o calor e ser facilmente obtido em estado puro. elétrica e eletromagnética. líquido ou gasoso. A energia térmica flui de molécula a molécula e de corpo a corpo. além de modificar sua organização molecular por ação do calor. A energia cinética se manifesta por movimentos vibratórios. Os termômetros se baseiam nas mudanças ocorridas em algumas propriedades físicas de substâncias. A energia térmica é uma forma de energia inerente ao próprio estado da matéria e para ela convergem todas as outras formas de energia. Esse fluxo ocorre sempre da molécula ou do corpo de maior energia térmica para o de menor até que o equilíbrio térmico seja alcançado. Por outro lado. independentemente do seu estado físico. é animada por manifestações cinéticas em suas moléculas e átomos. quando submetidas a diferentes temperaturas.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Capítulo 7 TERMOMETRIA – REGULAÇÃO DA TEMPERATURA CORPORAL Toda matéria. apresenta como inconveniente a grande influência da pressão exercida sobre o volume dos gases. As vantagens dos gases como substâncias termométricas seriam apresentar dilatação volumétrica diretamente proporcional ao aumento da temperatura e necessitar pequenas variações térmicas para exibir dilatações significativas. o que permite construir um termômetro que pode ser utilizado para a aferição de temperaturas habituais do cotidiano. por exemplo. 53 . tais como variações de volume. choque entre corpos. A temperatura pode ser definida como o número que mede quantitativamente o estado térmico de um corpo e para a sua rigorosa determinação devem ser utilizados dispositivos registradores da temperatura. Os sólidos. Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Para a construção de um termômetro deve-se escolher a substância termométrica, fixar dois pontos de referência na escala, habitualmente os pontos de fusão e ebulição da água a uma atmosfera de pressão e se estabelecer uma escala de leitura. As escalas termométricas utilizadas são: Escala Celcius, que utiliza como pontos fixos o ponto de fusão (0ºC) e de ebulição (100ºC) da água, estando a escala de leitura dividida em 100 partes iguais (escala centesimal ou graus centígrados). Escala Fahrenheit, que tem como pontos fixos os valores de 32 e 212 e a escala é dividida em 180 partes iguais. Escala absoluta ou Kelvin. A escala varia de 273 a 373, que correspondem a 0º e a 100º da escala Celcius, sendo dividida em 100 partes iguais. O zero da escala absoluta corresponde ao estado da matéria onde a quantidade de calor é zero, ou seja, não há agitação térmica. A conversão da temperatura registrada em graus centígrados para graus Fahrenheit, e vice-versa, pode ser realizada utilizando-se a seguinte equação: C / (F – 32) = 100 / 180 Ou: C / (F – 32) = 5 / 9 Onde: C = 5 x (F – 32) / 9 Termômetros clínicos. Destinam-se ao registro da temperatura do corpo humano. Utilizam o mercúrio como substância termométrica e sua escala varia de 35 a 41ºC com intervalos de 0,1ºC. Estão constituídos por um depósito de mercúrio em forma de bulbo alongado que se prolonga em um tubo capilar por onde o mercúrio se desloca ao longo da escala graduada quando expande o seu volume por ação do aquecimento ao entrar em equilíbrio térmico com o corpo. O tubo capilar apresenta um estreitamento com função de válvula em sua porção inferior, próxima ao bulbo, que permite facilmente a passagem do mercúrio do bulbo para o tubo capilar, quando se dilata, mas impede o seu retrocesso uma vez que tenha passado ao capilar, ficando permanentemente registrada na escala graduada a temperatura aferida. Para realizar uma nova medida da temperatura, o mercúrio deve retornar ao bulbo do termômetro. Para isso, devemos sacudi-lo energicamente repetidas vezes a fim de que a força centrífuga vença a resistência oferecida pelo estreitamento. Para a melhor visualização da coluna de mercúrio se faz necessário uma superfície de contraste, branca ou amarela, por trás do tubo capilar e de uma lente de aumento disposta a sua frente. Os termômetros de bulbo pequeno, por conterem uma menor quantidade de mercúrio, estabelecem mais rapidamente o equilíbrio térmico com o corpo, e, por isso, registram a temperatura corporal com maior rapidez que aqueles de bulbo grande. Porém, para uma leitura correta exige-se que o termômetro permaneça em contato com o corpo em torno de 5 minutos. Na aferição da temperatura corporal, o termômetro deve ser colocado em contato com áreas corporais bem vascularizadas a fim de permitir o equilíbrio térmico do mercúrio com o sangue, expressando a temperatura 54 Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde central do corpo. A temperatura corporal pode ser aferida em três pontos principais que, por ordem de importância, são o reto, devido à rica vascularização do plexo hemorroidário, a sublingual e a axila. As medidas da temperatura corporal normal mostram variações desde aproximadamente 36ºC até mais de 37,2ºC. Quando aferida no reto, os valores observados são aproximadamente 0,6ºC maior que a temperatura sublingual. A temperatura normal média é considerada, em geral, como sendo de 37ºC quando medida na boca e de aproximadamente 0,6ºC a mais quando aferida no reto. As faixas normais de temperatura corporal humana são, portanto, de 36 a 37ºC para a temperatura axilar, de 36,7ºC até 37,2ºC para a temperatura sublingual e de até 37,6ºC para a temperatura retal. Durante o exercício físico intenso a temperatura corporal aumenta progressivamente para 38,3ºC a 40ºC, enquanto que no frio extremo, a temperatura corporal pode cair para valores inferiores a 35,5ºC. Temperatura corporal. As reações químicas celulares determinam a temperatura corporal. Nas células, os processos de produção e consumo de energia geram calor. A essas trocas de matéria e energia celular dá-se o nome de metabolismo. O metabolismo basal é a quantidade de calor desprendido, por metro quadrado de superfície corporal e por hora, por um indivíduo em jejum e em repouso, de pelo menos meia hora, a uma temperatura ambiente compreendida entre 18º e 25ºC. Define-se caloria como a quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de 1g de água (de 14,5ºC a 15,5ºC). A quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC, 1g de uma substância qualquer, denomina-se calor específico. No caso da água, o calor específico é igual à unidade. O calor específico se expressa em calorias e assume valores diferentes para cada substância. A capacidade térmica é a quantidade de calor que um corpo absorve para aumentar sua temperatura em 1ºC. Portanto, a capacidade calorífica de um corpo depende de seu calor específico e de sua massa. Capacidade térmica = calor específico x massa Para se estimar o valor do metabolismo basal deve-se calcular a superfície corporal e, para isso, utilizase o peso (P) e a altura (A) do indivíduo de acordo com a fórmula seguinte: S = P 0,425 x A 0,725 x 71,84 Em seguida, a quantidade de calor desprendida por um indivíduo, em calorias, pode ser determinada pelo consumo de oxigênio em um dado momento, multiplicando o oxigênio consumido pelo fator 4,825, que é o valor calorífico correspondente ao quociente respiratório 0,82. Ao se dividir a quantidade de calorias desprendidas por hora pela superfície corporal, obtém-se o metabolismo basal por metro quadrado e por hora. Propagação do calor. O calor pode ser transmitido pelos corpos por condução, por convecção e por irradiação. A condução do calor através dos corpos se realiza por meio da atividade molecular. A capacidade de uma substância de conduzir o calor denomina-se condutividade térmica e apresenta grandes diferenças de acordo com a natureza dos corpos. Os metais são bons condutores de calor. A condutividade térmica dos líquidos é menor que a dos sólidos e maior que a dos gases, como conseqüência da diferença entre as distâncias intermoleculares em cada um dos estados físicos da matéria. A condutividade térmica está regida pela fórmula seguinte: Q = K x S x t (T2 – T1) / l 55 Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Onde Q é a quantidade de calor que flui no tempo t através de um corpo de superfície S e de comprimento l; T2 é a extremidade quente e T1, a fria; K é a constante de condutividade do corpo, que se obtém quando superfície, comprimento, tempo e diferenças de temperatura são iguais à unidade. A convecção é o mecanismo de aquecimento dos fluidos. Ao se aquecer um recipiente contendo água, a camada líquida em contato com a fonte de calor se expande, diminuindo a sua densidade. O líquido menos denso ascende à superfície pelo centro do recipiente, enquanto a água fria desce pelas paredes até o fundo do recipiente. Essas correntes líquidas produzidas constituem as correntes de convecção. Este fenômeno ocorre da mesma forma nos gases. A irradiação constitui o terceiro mecanismo de propagação do calor. A transmissão de calor ocorre por meio de radiações infravermelhas que ao interagir com a matéria produz aquecimento. Essas radiações se propagam no vácuo e com a velocidade da luz. Manutenção da temperatura corporal. Nos animais superiores, mamíferos e aves, a temperatura interna do corpo, ou temperatura central, mantém-se dentro de limites muito estreitos, sendo, por isso, denominados homeotérmicos. Nos humanos, a temperatura interna varia em torno de 0,6ºC, mesmo estando expostos a variações de 13ºC a 54ºC da temperatura ambiente, em determinadas condições, embora a temperatura da superfície do corpo varie mais amplamente em resposta as variações térmicas do ambiente. Dessa forma, para manter a temperatura corporal praticamente constante, faz-se necessário um complexo sistema de controle, os mecanismos de termorregulação. Na manutenção da temperatura corporal, os mamíferos dispõem de um sistema de isolamento térmico, constituído pela pele e pela gordura dos tecidos subcutâneos, em conseqüência de suas propriedades isolantes, por terem baixa capacidade térmica quando comparados a outros tecidos. Dessa forma, o grau de isolamento varia de pessoa a pessoa dependendo da quantidade de tecido adiposo. (figura 7.1). Figura 7.1. Representação esquemática do sistema superficial de controle de perda de calor. A distribuição da energia térmica pelos tecidos é feita principalmente pelo sangue que mantém o equilíbrio entre os diferentes órgãos. Os vasos sangüíneos penetram nos tecidos isolantes subcutâneos e se distribuem nas porções subpapilares da pele. Desse modo, o sangue pode ser conduzido pelos vasos através da camada isolante e alcançar o plexo venoso contínuo situado logo abaixo da pele, de onde o calor pode ser facilmente dissipado para o ambiente. Nas áreas mais expostas do corpo, como mãos, pés e orelhas, o sangue é fornecido das arteríolas, através de anastomoses arteriovenosas altamente musculares, diretamente para as veias. A diminuição do fluxo sangüíneo na pele reduz a eficiência da condução do calor dos tecidos profundos para a superfície do corpo. Como conseqüência, diminui a capacidade de perda de calor em razão de o único meio de dissipação de calor para o ambiente se dá por difusão através dos tecidos isolantes cutâneos. Esse mecanismo é insuficiente para promover as perdas necessárias quando os indivíduos estão em ambientes quentes ou quando são produzidas quantidades excessivas de calor em resposta à atividade física. 56 são perdidos por condução direta do corpo para os objetos em contato com o corpo. o efeito dos hormônios tireoidianos e. Os fatores determinantes da produção endógena de calor são a intensidade basal do metabolismo celular. diminuindo sua densidade. Outra possibilidade de perdas por condução direta é a transferência de calor para o ar atmosférico. da mesma forma. O exercício físico pode produzir de 1. deslocada pela massa de ar mais fria e densa. A camada de ar em contato com a superfície do corpo retira calor da pele e se expande. A intensidade da perda calorífica está condicionada a velocidade com que o calor pode chegar à pele e dela ser transferido para o meio ambiente. Irradiação. Apenas quantidades muito pequenas de calor. em condições extremas. O grau de vasoconstrição é controlado pelo sistema nervoso autônomo simpático em resposta às variações da temperatura corporal interna e da temperatura ambiente. Portanto. a saber.400 a 1. desde que a 57 . A perda de calor por irradiação dá-se através da emissão de radiação infravermelha. o aumento do metabolismo em resposta à atividade muscular involuntária (piloereção e calafrio) ou durante o exercício físico. Dessa forma. Em repouso. condução direta. A predominância de um sobre o outro mecanismo determinará o aumento ou a redução da temperatura corporal. quando a temperatura corporal for maior que a do ambiente. as ondas de convecção. a ação da epinefrina. estabelecendo-se um equilíbrio entre ganhos e perdas de calor corporal.800 calorias diárias. e a musculatura por cerca de 18% do calor gerado. o cérebro e o coração. Em condições de repouso. correspondente a aproximadamente 3% do total. os órgãos internos são responsáveis por aproximadamente 56% do calor produzido. sendo. O calor é sempre gerado como subproduto do metabolismo celular e deve ser perdido ou retido pela superfície cutânea. como o hormônio do crescimento e a testosterona sobre o metabolismo celular. Para a manutenção da temperatura corporal. Os fluxos locais de ar permitem uma perda contínua de calor a cada novo equilíbrio. o fluxo sangüíneo cutâneo pode variar. de outros hormônios. em seguida.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde O processo de dissipação de calor é controlado pelo grau de vasoconstrição das arteríolas e das anastomoses arteriovenosas que regulam o fluxo sangüíneo para o plexo venoso subcutâneo. Perdas de calor. Por condução direta ocorre fluxo de energia térmica da superfície corporal para os objetos ou para o ar atmosférico em seu contato. No entanto. Geração de calor. evaporação e sudorese. o que representa um mecanismo pouco significativo de perda de calor corporal. em menor grau. sabendo-se que o aumento de 1ºC na temperatura corporal eleva em 10% o metabolismo basal. a ingestão de alimentos. Durante o exercício. As perdas de calor corporal ocorrem por diferentes mecanismos.000 calorias (exercício moderado) a 6. produzindo pequenas correntes de ar. principalmente o fígado. o corpo irradiará maior quantidade de calor para o ambiente que aquela irradiada em sua direção.000 calorias (exercício intenso) diárias adicionais. o que promove a retenção ou favorece a perda de calor para o ambiente. a produção de calor pelos músculos esqueléticos pode chegar a 96%. irradiação. Condução direta. pode ser necessário obter calor pelo movimento muscular voluntário ou por tremores involuntários. sendo as fontes produtoras mais expressivas o fígado. o organismo gera por intermédio da atividade metabólica basal de 1. os objetos aquecidos do ambiente irradiam. principalmente proteínas. de pouco mais de zero a 30% da quantidade total de sangue bombeado pelo coração. norepinefrina e da estimulação simpática e do próprio calor sobre o metabolismo celular. cujo comprimento de onda varia entre cinco e vinte micra. o nosso corpo. a de ácido lático. não produz mais do que um litro de suor por hora. As glândulas sudoríparas são estruturas tubulares constituídas por uma porção espiralada. constituindo um importante mecanismo de regulação da temperatura corporal. por uma a seis semanas. nessas condições. representando um mecanismo eficaz de perda calórica. de quatro vezes e de 1. durante os primeiros dias. A estimulação nervosa das células epiteliais de revestimento da porção espiralada da glândula induz a secreção ativa de um líquido de composição semelhante à do plasma. a perda de calor por condução para o ar representa aproximadamente 15% da quantidade total do calor corporal cedido para o ambiente. as concentrações de todas essas substâncias podem ser muito altas. A água. concentrações muito baixas desses íons no suor. Em baixa secreção de suor. em conseqüência.2 vez para o potássio. Uma pessoa não aclimatada ao ambiente. responsável pela secreção do suor. podendo chegar a 2 a 3 litros por hora. o que concentra a maioria dos outros constituintes. Quando comparadas às suas concentrações plasmáticas. Quando a secreção de suor é baixa. A perda 58 . perdendo de 15 a 30 gramas de sal por dia. Evaporação. A sudorese ocorre quando as glândulas sudoríparas secretam água em resposta à estimulação nervosa pelas fibras simpáticas secretoras de acetilcolina (fibras colinérgicas) ou por ação da epinefrina e da norepinefrina circulantes no sangue. Sudorese. A manutenção de sudorese profusa estimula a liberação de bradicinina pelas glândulas sudoríparas que mantém a vasodilatação cutânea e a perda de calor para o ambiente. denominado secreção precursora. a secreção precursora é modificada pela reabsorção da maior parte dos íons sódio e cloreto antes de chegar à superfície do corpo. de forma constante. o líquido precursor flui lentamente pelo ducto sendo reabsorvidos praticamente todos os íons sódio e cloreto. Esse mecanismo de perda não é facilmente percebido por nós. valores ligeiramente inferiores a metade de suas concentrações no plasma. o ácido lático e os íons potássio. No entanto. exceto por não conter proteínas plasmáticas. retira energia térmica de forma mais eficiente que o ar. A pessoa não aclimatada transpira abundantemente. em regime de alto fluxo de suor. de modo que o ducto reabsorve poucos íons sódio e cloreto que. o indivíduo aumenta progressivamente a quantidade de suor secretado. após a aclimatação. À medida que se expõe a ambientes quentes. Outras substâncias perdidas pelo suor incluem a uréia. devido ao seu alto calor específico. Em alta secreção. permitindo uma conservação progressivamente maior do sal corporal. a concentração de uréia é baixa.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde pele esteja a uma temperatura mais elevada que a do ar ambiente. Ao fluir ao longo da porção ductal. de aproximadamente duas vezes. subdérmica profunda. A evaporação de todo esse suor retira grandes quantidades de calor. O grau de reabsorção ductal depende da intensidade da sudorese. razão pela qual é denominada insensível. Quando as glândulas sudoríparas são fortemente estimuladas produzem grande quantidade de secreção precursora. esta perda pode ser de apenas 3 a 5 gramas. determinando. A evaporação da água ocorre. que induz a ingestão da quantidade necessária de água para restabelecer o equilíbrio hídrico. alcançam concentrações máximas de 50 a 60 mEq/l. diretamente a partir da pele e dos pulmões. e uma porção ductal que se dirige através da derme e epiderme até a superfície. A perda excessiva de água produz sede. correspondendo a apenas cinco miliequivalentes por litro (5 mEq/l). A baixa concentração iônica reduz a pressão osmótica no suor para níveis tão baixos que a maior parte da água é reabsorvida. Em condições normais. o suor flui com rapidez pelo ducto e pouca água é reabsorvida. pré-óptica. sudorese profusa e diminuição da produção excessiva de calor. a quantidade total das perdas insensíveis corresponde a 600 a 700 ml de água por dia. de aproximadamente 250 ml. os mecanismos que envolvem a água. os pulmões perdem em média 350 ml por dia em temperatura ambiente normal.6 e 37. Nessas localizações.6 ºC. também. um indivíduo nu exposto a variações de temperatura entre 13ºC e 54.58 caloria por grama de água. são os maiores responsáveis pelas perdas de calor quando um indivíduo está exposto a temperaturas ambientes maiores que as da superfície da pele. para uma pressão de vapor de aproximadamente 47 mmHg. quando comparada à ocorrida em temperaturas ambientes normais. o corpo ganha calor por condução direta e pela irradiação do ambiente. em resposta. fazendo com que a pele e os receptores profundos estejam adaptados para a detecção de temperaturas mais frias. Portanto. Dessa forma. Os dois grupos de informações combinam-se para o controle das respostas corporais a fim de determinar o equilíbrio entre a produção e as perdas de calor. Os sinais sensoriais térmicos da área hipotalâmica anterior são transmitidos para o hipotálamo posterior (áreas correspondentes aos corpos mamilares) que também recebe os sinais gerados nos receptores periféricos cutâneos e profundos. com conseqüente aumento da produção de calor por contração muscular. mantém a temperatura corporal central entre 36. os neurônios sensíveis ao frio o fazem quando a temperatura cai. Os neurônios sensíveis ao calor aumentam suas freqüências de impulsos nervosos em resposta a elevação da temperatura corporal e. por conter neurônios que atuam como sensores térmicos para o controle da temperatura corporal. nessas condições. a perda insensível de água pelos pulmões é menor. da mesma forma. Quando a pele é resfriada surgem reflexos que ativam mecanismos para a elevação da temperatura corporal. especialmente a sudorese. tais como estímulos desencadeadores de calafrios. Em temperatura ambiente quente. atuam na regulação da temperatura corporal. a evaporação de água representam a uma perda de calor de 15 a 17 calorias por hora. e maior no frio intenso devido à diminuição da pressão do vapor com a redução da temperatura. O aquecimento da área pré-óptica hipotalâmica produz. Conclui-se que a evaporação do suor representa um mecanismo de dissipação de calor mais importante que o de perdas insensíveis. inibição da sudorese e a promoção de vasoconstrição cutânea para reduzir as perdas calóricas para o ambiente. 59 . visto que. regulando a temperatura corporal. A evaporação pulmonar é conseqüência da saturação do ar inspirado com vapor de água. Outros receptores térmicos estão localizados na pele e em tecidos profundos. atuando como centro termostático de controle da temperatura corporal.4 ºC no ar seco. há mais receptores para o frio que para o calor. vísceras abdominais e grandes veias na parte superior do abdômen e tórax e.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde média de água por evaporação direta através da pele é de aproximadamente 350 ml por dia. Como a água ao se evaporar leva consigo uma quantidade de calor da ordem de 0. A principal área do encéfalo responsável pelo controle da temperatura corporal inclui a área hipotalâmica anterior . antes de ser expirado. Da mesma forma. principalmente na medula espinhal. Regulação da temperatura corporal. Essa área contém grande número de neurônios sensíveis ao calor e aproximadamente um terço dos neurônios sensíveis ao frio. Em função das condições de umidade e do movimento do ar. vasodilatação cutânea. seminuas. quando a temperatura corporal diminui. taquicardia e oligúria. O fato de ser estreita nos mostra a importância do ajustamento comportamental para a termorregulação. denominada zona termoneutra. desencadeiam a sensação de desconforto ao frio. possivelmente. que desacopla a cadeia respiratória produtora de calor da produção de ATP. e da termogenina. astenia. Entre a temperatura ambiente que desencadeia a sudorese e a que provoca tremores musculares encontra-se uma faixa estreita de temperatura. a secreção de água para elevar a perda de calor por evaporação do suor e a diminuição da produção de calor. A hipertermia refere-se ao estado de elevação da temperatura corporal acima da faixa normal habitual do indivíduo. A febre pode ser causada por lesões do encéfalo que afetam diretamente os centros 60 . e a termogênese química. Quando ocorre abaixamento da temperatura corporal. A zona termoneutra proporciona uma sensação térmica agradável. Esse centro é ativado quando a temperatura corporal cai e transmitem sinais que produzem os calafrios. uma forma adicional de regulação da temperatura corporal é a produção de calor “sem tremor” no tecido adiposo marrom. o sistema de controle da temperatura desencadeia os mecanismos para a elevação da temperatura corporal. os centros reguladores térmicos hipotalâmicos induzem a sensação psíquica de superaquecimento. sinais originados nos receptores periféricos cutâneos e profundos. O calafrio é controlado por uma área localizada na porção dorsomedial do hipotálamo posterior. provocando vasoconstrição cutânea. o mecanismo comportamental é o fator determinante para o controle da temperatura corporal. somente o fluxo sangüíneo da pele sofre variações. essa área é inibida por sinais provenientes do hipotálamo anterior e excitada por estímulos de frio. denominado centro motor primário. as respostas obtidas são a vasodilatação cutânea. entre outros sintomas. Em resposta. Em pessoas sentadas. induz o indivíduo a um ajustamento comportamental às condições do ambiente. Quando a temperatura corporal se eleva. Nesse caso. conseqüência da estimulação simpática e a secreção de hormônios tireoidianos. Febre. Em temperaturas extremas. Em condições normais. o que aumenta a produção de calor por contração muscular. é o recurso mais importante na regulação da temperatura corporal. que aumenta a oferta de ácidos graxos.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Quando detectam uma elevação ou abaixamento da temperatura corporal. O frio provoca a liberação de norepinefrina no tecido adiposo por via reflexa (3adrenoreceptores) estimulando a lipólise. Os lactentes resfriam-se com facilidade em razão da elevada relação superfície/volume. Dentro dessa faixa de temperatura. A febre é uma síndrome caracterizada por hipertermia. Da mesma forma. Na espécie humana. através da escolha de vestimentas adequadas e melhores meios de ventilação ou aquecimento a fim de restabelecer o conforto térmico. devido à inibição dos centros nervosos simpáticos no hipotálamo posterior que causam vasoconstrição. Zona termoneutra. com a elevação da produção de calor conseqüente ao aumento do metabolismo. a produção de lípase lipoprotéica. esse mecanismo. Outro mecanismo de grande importância na manutenção do equilíbrio térmico do organismo é a sensação psíquica de desconforto térmico. os centros térmicos do hipotálamo desencadeiam os mecanismos para a redução ou a elevação da temperatura corporal. como resposta a estimulação dos centros nervosos simpáticos do hipotálamo posterior. oriundos da pele e da medula espinhal. Para a redução da temperatura corporal. piloereção e calafrio. a zona termoneutra está entre 27 a 32ºC aproximadamente. Nas lesões cerebrais. ou se o corpo estiver submerso na água. o que desencadeia tremores musculares involuntários (calafrios). liberadas das membranas celulares bacterianas ou de tecidos em degeneração. a pessoa pode suportar temperatura ambiente de 54. Na febre. a substância interleucina-1 ou pirogênio endógeno. doenças auto-imunes e por condições ambientais passíveis de causar intermação.5 a 42. atuam de modo indireto e podem necessitar de um período de latência de várias horas para exercer seus efeitos. Os limites de calor extremo suportado por uma pessoa dependem. que. na faixa de 40. ou de substância semelhante. reduzida. Em ar seco e com correntes de ar suficientes para promover uma rápida evaporação do suor. da umidade do ar. causam leucopenia e conduz a estado de refratariedade. macrófagos teciduais e pelos grandes linfócitos destruidores granulares. ocorrendo então vasodilatação e sudorese. o corpo está inicialmente muito frio. pelo menos. vômitos. hemorragias. que provocam febre. Eles podem atuar diretamente sobre o centro termorregulador do hipotálamo ativando os mecanismos para a elevação da temperatura corporal que incluem a redução de perdas e o aumento da produção de calor. a interleucina-1 induzir a formação de prostaglandinas. na intermação e na insolação. a pessoa tende a apresentar intermação. Para umidade do ar de 100%. A resposta febril determinada pelo pirogênio endógeno ocorre de forma imediata. o corpo está muito quente em relação ao valor previsto normal. Intermação. em resposta à ação de endotoxinas de bactérias gram-negativas.2ºC. e prolongada. uma resposta termorreguladora “paradoxal” em razão do paciente está com a temperatura corporal elevada. por sua vez. o valor previsto está ajustado a um valor mais alto. alguns tumores. finalmente. Os pirogênios são proteínas. Quando a temperatura corporal eleva-se acima da temperatura crítica.4ºC. delírio e.2ºC. outros pirogênios exógenos. por exemplo. Esses efeitos ocorrem. a temperatura corporal começa a se elevar sempre que a temperatura ambiente ultrapassar 34. No hipotálamo. atua desencadeando a elevação da temperatura corporal. provocando uma ação para a elevação da temperatura corporal. a hipertermia parece resultar do distúrbio do funcionamento do centro termorregulador Respostas termorreguladoras “paradoxais”. como os produtos bacterianos. sem período de latência. Por outro lado. Se a pessoa estiver realizando trabalho físico. como as toxinas lipopolissacarídicas. quase exclusivamente. Quando a formação da prostaglandina é bloqueada por fármacos. produtos da degradação de proteínas e outras substâncias. que se caracteriza por hipertermia grave e sintomas que incluem tontura. Essa pode ser a explicação para o mecanismo de ação do ácido acetilsalicílico (AAS) na redução da febre. perda da consciência. Durante a diminuição da febre. a temperatura corporal é regulada a um valor elevado. a febre é totalmente abolida ou.4ºC por várias horas. Esses 61 .Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde termorreguladores. se a temperatura corporal não for logo reduzida. o nível crítico de temperatura ambiente. principalmente a prostaglandina-E 2. por doenças infecciosas (bacterianas e virais) e parasitárias. Outros agentes pirogênicos com propriedades biológicas semelhantes às do pirogênio endógeno são produzidos pelo linfoma de Hodgkin e pelo carcinoma renal. estados hemolíticos. nos líquidos corporais. Em relação a esta temperatura de ajuste. mas não produz leucopenia nem tolerância. essas células são ativadas e liberam. ou seja. A função da termorregulação é manter a temperatura basal constante em seu valor previsto. acima do qual pode ocorrer intermação pode ser de apenas 29.5 a 32. Quando bactérias ou seus produtos de degradação estão presentes nos tecidos ou no sangue e são fagocitados por leucócitos circulantes. Um indivíduo exposto à água gelada durante 20 a 30 minutos geralmente morre por parada ou fibrilação cardíaca. Abaixo de 29. principalmente no cérebro. a temperatura central será de aproximadamente 25ºC. Exposição ao frio extremo. rins e em outros órgãos que podem ser suficientemente graves para levar a insuficiência funcional e provocar a morte. sendo a responsável por muitos dos efeitos observados.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde sintomas podem ser agravados pela perda excessiva de água e eletrólitos pelo suor que induzem a diferentes graus de desidratação e choque circulatório.5ºC afeta acentuadamente a capacidade do hipotálamo de regular a temperatura corporal. A própria hipertermia é também prejudicial aos tecidos orgânicos.5ºC ocorre a perda total da capacidade termorreguladora do hipotálamo em conseqüência da redução da produção química de calor por cada célula e pelo desenvolvimento de sonolência e. degeneração parenquimatosa de células por todo o corpo. 62 . Os achados patológicos em indivíduos mortos por hipertermia consistem em hemorragias locais. e lesões no fígado. A redução da temperatura corporal abaixo de 34. particularmente o cérebro. depois. se não for tratado imediatamente. No momento de sua morte. o coma. que deprime a atividade dos mecanismos de controle térmico. a saber:  Relação superfície/volume  Tensão superficial  Adsorção  Viscosidade Relação superfície/volume. que aumentam a relação S/V e a capacidade de absorção nutrientes da luz intestinal. considere um reagente sólido (um comprimido efervescente) que em contato com a água produz uma determinada reação química (formação de bolhas de gás). 63 . representa uma célula que oferece uma superfície de trocas em seu pólo superior aumentada muitas vezes pela presença de projeções da membrana. Outros exemplos da importância da relação S/V.1. depende da área de contato entre os diversos reagentes. as microvilosidades. A superfície de separação entre dois sistemas em contato recebe o nome de interface. produzirá aceleração da velocidade e da eficiência da reação. Muitos processos biológicos estão relacionados com fenômenos que ocorrem na superfície de contato de dois sistemas. quer sejam em níveis molecular. são postos em contato. Alguns desses fenômenos são de grande interesse para estudo dentro da biologia e medicina. A intensidade de reações químicas. além das condições básicas de suas estruturas. determina a sua maior ou menor atividade de trocas. em função de suas afinidades. Quanto maior o valor da relação S/V maior será a atividade do sistema. Aos fenômenos que ocorrem na interfaces de diferentes sistemas denominamos fenômenos de superfície. celular ou de macrossistema. a adição do pó à água. que interage com o meio exterior ou com o sistema vizinho. podem ser vistos em várias especializações da membrana celular. aumentando em muito a superfície de contato. As células epiteliais do intestino são dotadas de uma especialização de membrana. A estes sistemas denominamos sistemas abertos. A figura 8. A relação entre a superfície (S). A adição do sólido à água produz a reação com uma velocidade que depende da superfície de contato entre os reagentes.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Capítulo 8 FENÔMENOS DE SUPERFÍCIE Quando dois sistemas. e o volume desse sistema. Se triturarmos o sólido efervescente. interagem entre si trocando matéria e energia. que tem como função aumentar a superfície de absorção de nutrientes da luz intestinal. como meio para aumentar a eficiência de trocas na interface entre sistemas. Como exemplo. Os efeitos da tensão superficial se manifestam de diversas maneiras. um gás ou um sólido que não molha se estabelece a tensão superficial.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Figura 8. A tensão superficial atuando na interface água-ar cria uma pseudomembrana que mantém coesas as moléculas da água. 64 .1. as enzimas oxidativas que participam do processo da respiração celular e da produção de ATP. Considere a interface entre dois sistemas que apresentam baixa afinidade e. a força gravitacional vence a tensão superficial e a gota cai. A figura 8. Esta cria uma pseudomembrana. Formação de uma gota de água.2 mostra que a membrana interna apresenta projeções. Célula epitelial do intestino apresentando em seu pólo superior microvilosidades que constituem a borda em escova As mitocôndrias são organelas citoplasmáticas que têm como função a produção de energia.2. denominada tensão superficial. Entre eles se estabelece uma força de retração que atua na superfície de separação dos dois sistemas. Figura 8.3. como consequência da retração da superfície. Mitocôndria.3). Observe o que se passa quando abrimos ligeiramente uma torneira (figura 8. aumentando a eficiência do sistema. portanto. Na superfície de contato entre um sistema no estado líquido e outro líquido não miscível. não se interpenetram. A membrana interna das mitocôndrias contém. que têm como função aumentar a superfície interna e o número de enzimas expostas aos substratos. Figura 8. A água flui lentamente formando uma gota. as cristas mitocondriais. Quando o volume da gota aumenta. Tensão superficial. aderidas à sua superfície. Figura 8. terão entre elas moléculas com as quais não têm nenhuma atração. A tensão superficial retrai as superfícies entre estes diferentes sistemas. da menor interação entre as moléculas superficiais. O fenômeno decorre da grande afinidade entre as moléculas do dispersante e do disperso. Substâncias tensoativas. o sólido se estende pela superfície. puxando-as para o interior do líquido. enquanto que. redução da tensão superficial do liquido. a superfície de separação corresponde a do líquido em questão e o ar saturado de vapor do líquido. em sua maioria. 65 . moléculas orgânicas grandes. cujos valores dependem da natureza do líquido. das forças que surgem nas interfaces.cm. Por este motivo. fazendo com que o óleo assuma a forma esférica. em razão de ser muito fraca a interação entre a água e o ar. tais como sais minerais. do meio com o qual faz contato e da temperatura. A tensão superficial é um conjunto de forças que uma superfície líquida exerce em seu contorno. Substâncias que reduzem a tensão superficial são denominadas batótonas. Em relação ao meio de contato. assumindo a forma de gota. A tensão superficial surge em consequência do desequilíbrio das forças de interações entre as moléculas com a resultante das forças na interface dirigida para o interior do líquido. Caso o líquido molhe. Desta forma. a força que puxa as moléculas para o interior do líquido. A forma que assume a superfície de um líquido em contato com um sólido. não tem força igual e contrária. devido a elevação da agitação molecular e. estas moléculas são deslocadas do seio do líquido e localizam-se na superfície do dispersante. Diferentes líquidos têm tensões superficiais diferentes. Quando se menciona a tensão superficial de um líquido.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Quando depositamos na superfície da água uma gota de óleo. as moléculas superficiais que interagiam entre si fortemente. também. nas moléculas da superfície. A tensão superficial surge como conseqüência da interação entre as moléculas da água na superfície.8 dina.4. O valor da tensão superficial pode ser modificado por ação de substâncias ditas tensoativas. A tensão superficial da água a 20ºC é de 72. a tensão superficial da interface água-ar difere daquela que surge na interface água-óleo. fator determinante da tensão superficial. depende. A força resultante atua sobre as moléculas da superfície. águaar. tangenciais a superfície e dirigida para dentro do líquido. caso contrário. Observe a figura 8. não se referindo a que interface corresponde. As substâncias hipsótonas são representadas por moléculas de pequenas dimensões. Estas substâncias são. A tensão superficial diminui com a elevação da temperatura. por unidade de extensão. com consequente. As substâncias que atuam aumentando a tensão superficial são denominadas hipsótonas. conseqüentemente. nesta situação. Assim sendo. Estas moléculas possuem sempre um grupo hidrofóbico e são pouco solúveis na fase dispersante. uréia e açúcares. formam-se três interfaces. perpendicularmente a ele. a saber. as interações entre as moléculas no interior do líquido se anulam.4. água-óleo e óleo-ar. quando se refere a tensão superficial deve especificar-se que meios compõem a superfície de contato. reduz a superfície de contato. Esta pressão varia diretamente proporcional com a tensão superficial (T) e inversamente com o raio da bolha (r). a tensão superficial favorece a retração pulmonar. nos alvéolos distendidos. Recém-nascidos prematuros. a pressão nos alvéolos de raios pequenos é grande. a pressão interna é baixa. diminuindo naturalmente a interação molecular e a tensão superficial que cai a valores de 30 mN/m. Estabilidade alveolar. quando o alvéolo torna-se maior. o surfactante concentra-se mais na superfície do líquido que reveste o alvéolo. cuja tensão superficial é de duas a catorze vezes maior do que a tensão na interface surfactante-ar. na inspiração. e mesma tensão superficial. as suas pressões são diferentes estabelecendo-se gradientes de pressão e fluxo de ar entre os alvéolos até o colapso total daquelas de diâmetros pequenos. O surfactante é um sistema tensoativo constituído por uma mistura de fosfolipídios e proteínas. esvaziará seu conteúdo na bolha de maior raio. é dificultada por ação da tensão superficial contrária ao aumento do diâmetro do alvéolo. Isto evita a formação da interface água-ar. Da mesma forma. Em um determinado momento respiratório. A película que forma uma bolha de sabão exerce uma pressão sobre o gás em seu interior. que atua reduzindo a tensão superficial. o surfactante se dispersa constituindo 66 . e como os alvéolos se comunicam entre si pelas vias aéreas. que constitui uma interface gás-líquido. não secretam quantidades adequadas de uma substância tensoativa denominada surfactante. obedecendo ao gradiente de pressão. Por outro lado. secretado por células epiteliais do tipo II da parede alveolar. condição esta que favorece a interação intermolecular. Esta situação pode ser observada na superfície dos alvéolos pulmonares. De acordo com a lei de Laplace. nesta situação. Esta mistura é constituída principalmente pelo fosfolipídio dipalmitoil-fosfatidilcolina e outras frações lipídicas carentes de cadeias hidrocarbonadas dos ácidos graxos (frações insaturadas). Nesta condição. estando uns mais e outros menos distendidos. A expansão dos alvéolos. também é grande a tensão superficial nas paredes dos alvéolos (na ausência do surfactante). se comunicam através de um tubo. A fração hidrofílica do componente tensoativo está voltada para a parede alveolar e a hidrofóbica para a fase gasosa.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Lei de Laplace. Além disso. alvéolos de diferentes diâmetros coexistem. se poderia esperar que os alvéolos de menor diâmetro murchassem as custas da expansão dos maiores. O surfactante atua decisivamente na prevenção desta condição. quando o alvéolo se acha distendido ao máximo. isso não ocorre devido a ação do surfactante. o que torna difícil a expansão pulmonar. reduzindo mais a tensão superficial. O surfactante atua formando uma camada monomolecular na interface entre o líquido que reveste os alvéolos e o ar contido nelas. a água se dispõe em monocamada. A tensão superficial. ou seja: P = 2T / r Se duas bolhas de sabão de diferentes diâmetros. de acordo com a lei de Laplace. Considere os movimentos respiratórios na ausência de uma substância tensoativa como ocorre nesta situação clínica. Em condições normais. alcança valores de 70 mN/m. A esta condição denomina-se doença da membrana hialina ou síndrome da angústia respiratória do recém-nascido. interligados entre si. substância produzida pelos pulmões. Durante a inspiração. Na expiração. a bolha de menor raio. Nos alvéolos de pequeno diâmetro. consequentemente de maior pressão. como consequência da superposição em camadas da água que recobre internamente os alvéolos. Interações químicas envolvem a liberação de 20.5. ficando retido pelo filtro. Quando o líquido é propelido ao movimento aplicando-se pressão na extremidade do vaso. Embolia gasosa. apesar do grande tamanho da micela. Na adsorção ocorre a fixação de moléculas ou partículas menores na superfície de moléculas maiores. Assim. que envolve a liberação de calor da ordem de 10. A bile é outra substância batótona que cumpre importante papel na digestão das gorduras.000 a 100. Os sais biliares tendem a formar micelas que contém de 20 a 50 moléculas de sais biliares. A micela é composta de um núcleo esteróide. comprovamos que o líquido filtrado é incolor. Adsorção.000 calorias e formam sistemas mais estáveis. colesterol. Essa agregação faz com que os grupos polares se projetem para fora.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde uma membrana mais fina. a pressão superficial se iguala. o surfactante atua de modo diferenciado equilibrando as pressões entre alvéolos de diferentes diâmetros. A resultante das pressões se opõe ao movimento do líquido que pode ser impedido se as bolhas forem numerosas.5). e um grupo polar hidrossolúvel. permitem que a micela se dissolva na água dos líquidos digestivos em dissolução estável. Cl. Como os grupos polares são carregados negativamente. lecitina e eletrólitos (Na+. altamente lipossolúvel. (A) representa um tubo contendo líquido em estado estacionário e uma bolha de ar. A intensidade do fenômeno é função da área e das características moleculares. A adsorção é um fenômeno dependente exclusivamente da interação superficial entre molecular. Bile. Ca++. a tensão superficial torna-se muito maior. permitindo a sua digestão química pelas lípases pancreáticas. filtramos a suspensão. Figura 8. K+. os meniscos se deformam. A bile é composta principalmente por água e sais biliares. O azul de metileno permanece adsorvido a superfície das partículas de carvão. compondo a superfície da micela. As substâncias que se fixam são denominadas adsorvidos. As forças de interação entre adsorvido e adsorvente. podem ser do tipo físico ou de Van der Waals. enquanto o adsorvente é a substância que está em maior quantidade ou a que apresenta maior superfície onde se fixa o adsorvido. Com o líquido estático. a seguir. em (B) o líquido quando inicia o movimento. podendo provocar a morte por embolia gasosa. a presença de bolhas nos vasos pode impedir o fluxo do sangue. até que sua presença seja necessária no intestino. Um experimento simples nos permite observar o fenômeno da adsorção: quando misturamos uma solução de azul de metileno a carvão mineral finamente triturado e. A bile é secretada continuamente pelo fígado e armazenada na vesícula biliar. porém bilirrubina. No caso da circulação sangüínea. onde ajuda a emulsificar os glóbulos de gorduras.e HCO3-) são também secretados ou excretados em grandes concentrações. Os núcleos esteróides agregam-se para formar um pequeno glóbulo de gordura no meio da micela. 67 .000 calorias. Uma bolha de ar dentro de um tubo contendo um líquido assume a forma esférica devido a tensão superficial (figura 8. responsáveis pelo fenômeno da adsorção. (B) os mesmos líquidos após iniciado o fluxo.5 vezes a da água. A presença das proteínas faz a viscosidade do plasma ser de 1. cerca de 4. dv / dx é o gradiente de velocidade e n é um fator próprio do líquido denominado coeficiente de viscosidade. O fluxo laminar é uma consequência da viscosidade do líquido. Figura 8. o fluxo se faz em camadas concêntricas. A viscosidade decorre da resistência ao deslocamento de uma molécula sobre outras.000 / mm 3 eleva a viscosidade do sangue a 3. resulta da interação entre as superfícies moleculares. sendo. com cada camada de sangue permanecendo à mesma distância da parede (figura 8. A grande quantidade de células sangüíneas. Desta forma. 68 . Demonstração visual do fluxo laminar: (A) dois líquidos de cores diferentes antes de iniciar o movimento. O fenômeno. O sangue é uma suspensão composta por células e plasma. Quanto maior for a força de atração entre as superfícies mais difícil será o deslocamento de uma molécula sobre a outra. O plasma é constituído basicamente por água e proteínas. Esta força que se opõe ao deslocamento do líquido é dada pela equação: F = nS dv / dx Onde S é a área de contato de duas camadas líquidas que deslizam uma sobre a outra. Isto significa dizer que são necessárias três vezes mais pressão para fazer fluir o sangue através de um tubo do que para forçar a água através do mesmo tubo.6.6). Quando o sangue flui de forma estável e contínua através de um tubo longo e liso.500. denominado fricção interna. Os líquidos mais viscosos demoram mais a escoar em conseqüência da maior força superficial entre suas moléculas.Paulo Ramos Biofísica: Princípios e Aplicações em Saúde Viscosidade. por isso. portanto. há líquidos que escoam através de um tubo mais facilmente que outros. principalmente de glóbulos vermelhos.