BIOFISICA

Exercícios aplicados deBiofísica Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 2 Exercícios aplicados de Biofísica Organização: Audrey Heloisa Ivanenko Salgado Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 3 Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 4 COLABORADORES Alice Coelho Aline Medrado Almyr Danilo Marx Neto Bárbara Isadora V. Mussi Cruz Fábio Araújo Gomes de Castro Fernanda Vilela Dias Gabriel Milhomem da Silva Mota Gilvan Ferreira Vaz Juliana Tavares Salgado Karina Diniz Pereira Marina Palhares Rafael Peixoto Raphael Ribeiro Teles dos Santos Renato Fernandes Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 5 Apresentação Com o livro Exercícios aplicados de Biofísica pretendemos auxiliar no aprendizado daqueles que estejam cursando a disciplina de Biofísica ou estejam interessados por temas dessa área do conhecimento. Os textos introdutórios de cada módulo foram elaborados com a finalidade de fazer uma revisão dos conceitos básicos dos seguintes assuntos: 1) soluções, pH e tampão; 2) membranas biológicas e 3) radiobiologia; além de buscar aproximar a Biofísica do dia a dia dos estudantes de diferentes áreas. Os exercícios visam à familiarização com cálculos matemáticos que são frequentes na área de Biofísica, estimular a revisão e fixação de conceitos, além de apresentar uma visão aplicada ao cotidiano e à futura prática profissional. Esta obra surgiu, originalmente, da necessidade de uma apostila de exercícios que auxiliasse aos alunos na disciplina de Biofísica de diferentes cursos na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), como material de apoio para os professores e monitores na tarefa de ensinar uma disciplina fundamentada em princípios das ciências exatas aplicados aos cursos da área de ciências da vida. Os livros de Biofísica disponíveis no mercado priorizam a parte teórica e oferecem poucos exercícios que ajudam os estudantes a colocar em prática o que aprenderam e a identificar suas dificuldades. Diante disso, a organizadora desse livro, Prof a . Audrey Heloisa Ivanenko Salgado , do Departamento de Fisiologia e Biofísica do Instituto de Ciências Biológicas da UFMG, propôs a nós, monitores de Biofísica, a elaboração de uma apostila de exercícios inéditos que pudesse ser usada como um estudo dirigido para os estudantes. A apostila foi elaborada dentro do Programa de Monitoria. A ideia central desse trabalho era que os estudantes se deparassem com uma nova informação a cada questão lida. O material, disponibilizado aos alunos da graduação dos cursos de Ciências Biológicas, Medicina, Medicina Veterinária, Odontologia, Fisioterapia, Farmácia, Enfermagem e Terapia Ocupacional no segundo semestre de 2009, sofreu modificações após o olhar crítico de inúmeros estudantes, professores e dos próprios monitores da disciplina. Após a complementação com textos referentes aos assuntos básicos de Biofísica, realizada para a produção deste livro, ele se tornou um guia prático e simples para estudantes de graduação e outras pessoas interessadas. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 6 Nós autores, na qualidade temporária de monitores de Biofísica, compartilhamos da posição de nossa orientadora, Prof a . Audrey, e entendemos a necessidade de exercícios aplicados como fonte de aprendizado na disciplina. Esperamos que cada estudante possa aprender com este livro, tanto quanto aprendemos em sua elaboração. Os autores. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 7 SUMÁRIO Capítulo I: Soluções, Equílibrios Iônicos, Solução-Tampão, Difusão, Osmose, Tonicidade e Compartimentação Biológica 7 1.1. Soluções 8 1.2. Equilíbrios iônicos 10 1.3. Solução-tampão 16 1.4. Difusão 17 1.5. Osmose 18 1.6. Tonicidade 20 1.7. Compartimentação biológica 21 Capítulo II: Membranas Celulares e Seus Mecanismos de Transporte 23 2.1. Funções 24 2.2. Composição e Estrutura 24 2.3. Mecanismos de Transporte 25 Capítulo III: Gênese dos Potenciais de Membrana: Potencial de Ação e Potencial de Repouso 40 3.1. Equilíbrio Iônico Através da Membrana Plasmática 41 3.2. Equilíbrio de Gibbs-Donnan 44 3.3. Transporte Ativo de Íons e o Potencial de Repouso 46 3.4. Gradiente de Íons e o Potencial de Repouso da Membrana 47 3.5. Variações do Potencial de Membrana: Respostas Sublimiares e 48 Potencial de Ação 48 3.6. Gênese do Potencial de Ação 49 3.7. Propriedades dos Potenciais de Ação 51 Capítulo IV: Introdução à Radioatividade, Emissões Primárias, Emissões Secundárias, Transmutação Radioativa, A Energia Nuclear e Suas Aplicações, Radiações X e Ultravioleta, Radiobiologia e Radioproteção. 53 4.1- Introdução à Radioatividade 54 4.2- Emissões Primárias 54 4.3- Emissões Secundárias 57 4.4- Transmutação Radioativa 58 4.5- A Energia Nuclear e Suas Aplicações 60 4.6- Radiações X e Ultravioleta 64 4.7- Radiobiologia 66 4.8- Radioproteção 66 Capítulo V: Exercícios resolvidos e Respostas comentadas 69 Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 8 Capítulo I: Soluções, Equílibrios Iônicos, Solução-tampão, Difusão, Osmose, Tonicidade e Compartimentação biológica Sumário do capítulo: 1.1. Soluções 1.2. Equilíbrios iônicos 1.3. Solução-tampão 1.4. Difusão 1.5. Osmose 1.6. Tonicidade 1.7. Compartimentação biológica Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 9 1.1 Soluções As principais expressões de concentração de soluções são título (em massa e em volume), porcentagem (em massa e em volume), concentração em massa e concentração em quantidade de matéria.  Expressões de concentração de soluções: - Título e Porcentagem:  Título e Porcentagem em massa: Título em massa (τ p ) é definido como a relação entre o número de unidades de massa do soluto (m 1 ) e o número de unidades de massa da solução (m). Tanto a massa do soluto (m 1 ) quanto a massa da solução (m) devem estar na mesma unidade, ou seja, grama com grama, quilograma com quilograma, etc. Assim, pode-se escrever: O título é um número puro (adimensional), já que relaciona dois termos de mesma unidade. Quando se multiplica o título por 100, obtem-se a porcentagem em massa do soluto (Pp): Exemplo: Uma solução de cloreto de sódio (NaCl) apresenta título de 0,30. Isso significa que, para cada 1,0 g de solução, há 0,30 g de NaCl no meio. Um título de 0,30 corresponde a uma porcentagem em massa de 30% (0,30 x 100). Assim, a solução de NaCl de porcentagem em massa de 30% apresenta 30 g de NaCl para cada 100 g de solução. - Título e Porcentagem em volume: O título em volume (τ v ) é a relação entre o número de unidades de volume do soluto (v 1 ) e o número de unidades de volume da solução (v): O volume do soluto e o da solução devem estar na mesma unidade. O título em volume, como o título em massa, é um número puro. Quando se multiplica o título em volume (τ v ) por 100, obtem-se a porcentagem em volume do soluto (P v ): Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 10 Exemplo: Uma solução de álcool etílico apresenta título de 0,70. Isso significa que, para cada 1,0 L de solução, há 0,70 L de álcool etílico. - Concentração em massa: É definida como a massa de soluto (m) dissolvida em um determinado volume de solução (v): Unidade: g/L (normalmente) Exemplo: Uma solução possui concentração de 50 g/L de cloreto de potássio (KCl). Isso significa que, a cada litro de solução, há 50 g de KCl dissolvidos. - Concentração em quantidade de matéria: É a relação entre a quantidade de matéria do soluto (n 1 ) e o volume da solução (v) em litros: Quantidade de matéria é uma grandeza cuja unidade é o mol (da mesma forma que “massa” é uma grandeza cuja unidade, no Sistema Internacional de Unidades, é o kilograma – kg). Logo, a unidade da concentração em quantidade de matéria é mol/L. Exemplo: Uma solução de NaCl possui uma concentração de 5 mol/L. Isso significa que, a cada litro de solução, há 5 mol de NaCl dissolvidos. - Densidade: É uma propriedade que caracteriza as substâncias. Ela é definida pela relação entre a massa (m) e o volume (v) da solução: Unidade: g/mL (normalmente) Exemplo: A densidade do álcool etílico é de 0,8 g/mL. Isso significa que cada 1 mL de solução possui uma massa de 0,8 g.  Diluição de soluções: Quando se necessita diminuir a concentração de uma solução, é preciso realizar uma diluição. Nesse processo, adiciona-se um solvente (normalmente, água) à solução. Dessa forma, há uma redução da concentração da solução sem que haja alteração da quantidade do soluto (a quantidade permanece constante). Baseado nisso, é possível Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 11 desenvolver uma expressão matemática que relaciona as concentrações e volumes da solução antes e após a diluição: FIGURA 1 – Diluição de solução Para as demais expressões de concentração, também é possível desenvolver relações matemáticas análogas às realizadas acima. Além da expressão matemática que envolve concentração em massa, uma outra bastante empregada é a que utiliza a concentração em quantidade de matéria: . 1.2. Equilíbrios Iônicos  Constantes de acidez e basicidade Em uma solução, há um ácido genérico, HA, e água. Na presença desse solvente, o ácido sofre ionização, como representado pela reação: Quando se calcula a constante de equilíbrio em termos de concentração em quantidade de matéria (K c ), obtem-se: Nesse caso, K c é chamado de constante de acidez (K a ): Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 12 Para bases, o raciocínio é análogo: Nesse caso, K c corresponde à constante de basicidade (K b ). Duas importantes conclusões podem ser realizadas a partir do valor da constante de equilíbrio (K a e K b ): - Quanto maior o K a , maior a força do ácido, já que ele apresenta uma maior ionização. - Quanto maior o K b , maior a força da base, já que ela apresenta uma maior dissociação.  Força de um eletrólito (ácido ou base): Como dito anteriormente, a força de um ácido e de uma base pode ser verificada a partir da constante de equilíbrio da substância (K a e K b ). Além disso, é possível verificar a força de um ácido ou de uma base pelo seu grau de ionização ou dissociação (α), respectivamente: O valor de α está compreendido entre 0 e 1 ou, se for expresso em porcentagem, entre 0% e 100%. De uma maneira geral, ácidos e bases fortes apresentam um valor de α próximo a 100%. Ácidos e bases fracas, de modo geral, possuem um valor de α inferior a 5%. As constantes de equilíbrio (K a e K b ) e o grau de ionização ou dissociação (α) dos eletrólitos são obtidas experimentalmente e, portanto, devem ser consultadas em tabelas próprias sempre que necessário. Para a determinação da força de um eletrólito, há, porém, regras práticas que possibilitam a verificação dessa característica sem a necessidade de analisar a constante de equilíbrio ou o grau de ionização (ou de dissociação): - Ácidos: Os ácidos inorgânicos podem ser divididos em dois grupos: hidrácidos e oxiácidos. Os hidrácidos são ácidos que não apresentam oxigênio em sua fórmula química, como o ácido clorídrico (HCl) e o ácido iodídrico (HI). Nesse grupo, são considerados Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 13 fortes, em ordem decrescente de força ácida, o HI, HBr (ácido bromídrico) e HCl. O HF (ácido fluorídrico) é semiforte e todos os demais hidrácidos são fracos. Os oxiácidos são ácidos que apresentam o oxigênio em sua fórmula química, como o ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) e o ácido nítrico (HNO 3 ). Para a determinação da acidez, utiliza-se a seguinte regra: dado um ácido de um elemento E genérico, H x E y O z , e fazendo a subtração z-x =R, obtem-se:  R ≥ 2: Ácido forte. Exemplo: HNO 3 z=3 x=1  R=3-1=2  R < 2: Ácido semiforte ou fraco. Exemplo: H 3 BO 3 z=3 x=3  R=3-3=0 Os ácidos orgânicos, de uma maneira geral, são fracos. - Bases: De modo geral, pode-se afirmar que são fortes as bases de metais alcalinos e metais alcalinos terrrosos, como o hidróxido de sódio – NaOH e o hidróxido de magnésio – Mg(OH) 2 . As bases fracas são as de metais de transição, de metais das famílias 13, 14 e 15 da tabela periódico e o hidróxido de amônio, NH 4 OH.  Produto iônico da água (K w ) A água sofre auto-ionização, como representado pela equação: A água sofre auto-ionização em escala muito pequena. Dessa forma, como a concentração de água – [H 2 O] – é praticamente constante, pode-se incluir seu valor no valor de K c : O produto [H + ][OH - ] é denominado produto iônico da água e é simbolizado por K w : A 25ºC, K w é igual a 1,01 · 10 -14 .  Potencial hidrogeniônico (pH) e hidroxiliônico (pOH) O potencial hidrogeniônico (pH) é definido da seguinte forma: O potencial hidroxiliônico (pOH) é definido do seguinte modo: Uma importante relação que envolve pH e pOH é a seguinte: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 14 De acordo com o pH, uma solução pode ser classificada em neutra, ácida e básica:  Solução neutra: . Logo, como o K w é igual a 1,0 · 10 -14 a 25 ºC, então: . Ao se calcular o pH nessas condições, obtem- se: Como pH + pOH = 14, o pOH de uma solução neutra será de 7. Assim, pode-se afirmar que, em uma solução neutra, pH = pOH = 7, a 25 ºC.  Solução ácida: . A partir do K w a 25 ºC, pode–se deduzir que, em uma solução ácida, e . Assim, uma solução ácida a 25 ºC terá um pH < 7 e um pOH > 7.  Solução básica: . A partir do K w a 25ºC, pode-se deduzir que, em uma solução básica, e . Assim, uma solução básica a 25 ºC apresenta um pH > 7 e um pOH < 7. Para se calcular o pH de uma solução ácida ou básica, é preciso, primeiramente, identificar a força do eletrólito (ácido ou base forte; ácido ou base fraca):  Ácido ou base forte: Como o grau de ionização ou dissociação (α) de um ácido ou base forte, respectivamente, está próximo a 100%, pode-se considerar que o eletrólito se ioniza ou dissocia completamente. Assim, a concentração de H + – [H + ] - ou de OH - - [OH - ] - na solução será igual à concentração inicial do ácido ou base forte, em mol/L, respectivamente. Exemplo: O pH de uma solução de HCl 0,01 mol/L será: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 15  Ácido ou base fraca: Como um ácido fraco ioniza parcialmente e uma base fraca dissocia parcialmente, não se pode afirmar, como dito para ácidos e bases fortes, que a concentração de H 3 O + ou OH - será igual a concentração inicial do ácido ou base, respectivamente. Para encontrar o valor de [H + ] ou [OH - ], é preciso utilizar a constante de acidez (K a ) ou de basicidade (K b ) do eletrólito. Exemplo: O pH de uma solução de ácido acético (CH 3 COOH) 0,01 mol/L será: Se o número de mols de CH 3 COOH ionizados em 1 L de solução for chamado de x, obtêm-se as seguintes concentrações das espécies envolvidas na reação: Espécie Concentração inicial (mol/L) Variação na concentração (mol/L) Concentração no equilíbrio (mol/L) CH 3 COOH 0,01 - x 0,01 - x H + 0 + x x CH 3 COO - 0 + x x Dessa forma, a condição de equilíbrio será (K a =1,8 · 10 -5 ): Como o ácido acético é fraco, pode-se afirmar que o valor de x é muito menor do que 0,01 (concentração inicial de CH 3 COOH). Assim, como o valor de x é desprezível em comparação a 0,01, pode-se considerar que a concentração de CH 3 COOH em equilíbrio é igual à concentração inicial desse ácido: Como [H 3 O + ] = x, então, [H 3 O + ] = 4,2 · 10 -4 mol/L. Assim, o pH da solução de CH 3 COOH será:  Titulação ácido-base: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 16 Para se determinar a concentração de uma solução, é comum realizar uma técnica chamado titulação. Para se analisar uma solução de um áci do de concentração desconhecida, por exemplo, adiciona-se um volume desse ácido (titulado), medido previamente, em um erlenmeyer (Figura 2). Acrescenta-se, a esse frasco, um indicador, que é uma substância capaz de mudar de cor de acordo com o pH do meio. Em seguida, é adicionada, ao frasco, uma solução de concentração conhecida (titulante) que, na situação estudada, é uma base. O titulante é gotejado, com uma bureta, sobre a solução de ácido analisada até que o indicador mude de cor. Quando ocorre essa alteração de cor, a titulação é finalizada, pois foi alcançado o chamado ponto final da titulação. É a partir do volume gasto de titulante nesse ponto que se realizam os cálculos para a determinação da concentração do ácido analisado. Porém, o volume gasto de titulante não corresponde à quantidade exata de base necessária para neutralizar o ácido, pois o indicador não muda de cor exatamente no pH em que ocorre a neutralização total do ácido. A neutralização completa do ácido ocorre no chamado ponto de equivalência. É importante ressaltar que apenas titulações que envolvem ácidos fortes e bases fortes resultam em uma solução neutra (pH=7) no ponto de equivalência. Se o ácido ou a base for um eletrólito fraco, o ponto de equivalência terá um pH ligeiramente áci do ou básico, já que o sal formado na titulação sofre hidrólise. Exemplo: Uma titulação de 25 mL de HCl consumiu 55 mL de NaOH 0,1 mol/L. Qual é a concentração, em mol/L, da solução de HCl? Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 17 FIGURA 2 – Representação esquemática da montagem da titulação 1.3. Solução-tampão É uma solução que sofre apenas pequenas variações de pH quando a ela são adicionados um ácido ou uma base. Ele pode ser formado por um ácido fraco e seu sal de mesmo ânion (exemplo: CH 3 COOH e CH 3 COONa) ou uma base fraca e seu sal de mesmo cátion (exemplo: NH 4 OH e NH 4 Cl). Para entender a ação do tampão, considere, por exemplo, uma solução de CH 3 COOH e CH 3 COONa. Como o CH 3 COONa é solúvel, ele libera CH 3 COO - na solução e, assim, CH 3 COO - e CH 3 COOH estabelecem o seguinte equilíbrio: Quando um ácido é adicionado a essa solução, os íons H + , provenientes da ionização dele, provocam um deslocamento do equilíbrio do tampão para a esquerda. De maneira análoga, quando uma base é adicionada à solução do tampão, os íons OH - , originados da dissociação da base, consomem H + e, assim, o equilíbrio é deslocado para a direita. Dessa forma, nas duas situações, há um consumo dos íons H + e OH - , provenientes, respectivamente, do ácido e da base, e, assim, o pH da solução tampão não é alterado de forma significativa. Para determinar o pH de uma solução-tampão, utiliza-se a equação de Henderson-Hasselbalch: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 18 Em que: pK a = logaritmo negativo do K a (-logK a ); [A] = concentração, em mol/L, do aceptor de prótons (H + ); [D] = concentração, em mol/L, do doador de prótons. No exemplo dado (tampão CH 3 COOH/CH 3 COONa), o aceptor de prótons (A) é o CH 3 COO - (derivado da dissociação do CH 3 COONa) e o doador de prótons (D) é o CH 3 COOH. Uma solução-tampão é eficiente na sua função, ou seja, ela é capaz de minimizar as variações de pH, na seguinte faixa de pH: pK a ± 1. Assim, o tampão CH 3 COOH/CH 3 COONa (pK a = 4,74) será eficaz na faixa de pH entre 3,74 (4,74 – 1) a 5,74 (4,74 + 1). Outro fator que caracteriza a capacidade de tamponamento é a quantidade de aceptor e doador de prótons. Essa quantidade, por sua vez, depende tanto do volume de tampão (fator extensivo) quanto da concentração da solução-tampão (fator intensivo). Assim, quanto maior o volume de tampão, maior será a capacidade de tamponamento dele. Da mesma forma, quanto maior a concentração da solução-tampão, maior será a capacidade de tamponamento dela. 1.4. Difusão Para entender o conceito de difusão, considere a Figura 3: FIGURA 3 – Compartimentos A e B, separados por uma divisória removível Nos dois compartimentos, foram colocadas moléculas de um mesmo composto, de modo que a quantidade de partículas em A é muito maior do que aquela em B. Todas as moléculas apresentam um movimento térmico aleatório, também denominado de movimento browniano. Quando se remove a divisória, há uma movimentação contínua de partículas. A probabilidade de uma molécula inicialmente em A mover-se para B é a mesma de uma partícula originalmente em B dirigir-se para A. Como há um número maior de moléculas em A, o total de partículas que se movem de A para B será maior do Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 19 que a quantidade de moléculas que se dirigem de B para A. O fluxo resultante de A (mais concentrado) para B (menos concentrado) é chamado de difusão. Para se calcular a difusão por uma membrana, utiliza-se a primeira lei de Fick para a difusão: Em que: J = intensidade da difusão (mols ou gramas por segundo); D = coeficiente de difusão do soluto na membrana (cm 2 /s); A = área da membrana (cm 2 ); ∆C = diferença de concentração através da membrana (mol/cm 3 ); ∆x = espessura da membrana (cm). O coeficiente de difusão (D) é definido, de forma aproximada, para macromoléculas esféricas, de acordo com a equação de Stokes-Einstein: Em que: k = constante de Boltzmann (1,38 x 10 -23 J/K); T = temperatura absoluta; r = raio da macromolécula; η = viscosidade do meio. Quando se analisa o fluxo de difusão nas membranas celulares, é comum empregar o coeficiente de permeabilidade (Ρ), o qual é específico para o soluto e a membrana em questão: P é expresso em cm/s. 1.5. Osmose A osmose é um caso especial de difusão da água, na qual há um fluxo dessa substância a favor de seu gradiente de concentração entre dois compartimentos, separados por uma membrana semipermeável ou predominantemente permeável à água. Uma membrana semipermeável permite a passagem apenas de água e impede, assim, o transporte de solutos. Como a água movimenta a favor de seu gradiente de concentração, ela está difundindo de um compartimento de menor concentração de soluto para outro, de maior concentração de soluto. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 20 Na figura 4, estão representados dois compartimentos (A e B), separados por uma membrana semipermeável. A água irá movimentar de A para B, ou seja, ela irá difundir do compartimento de água pura para a solução. Ao se empurrar o pistão, o fluxo osmótico irá diminuir, já que a concentração de moléculas de água em B irá aumentar (como também, haverá o aumento da concentração de soluto). Caso a força aplicada ao pistão continue a ser aumentada, chegará um momento em que a pressão em B impedirá o fluxo resultante de água. Essa pressão responsável pela interrupção do fluxo de água é denominada pressão osmótica da solução do lado B. FIGURA 4 – Representação da definição de pressão osmótica A pressão osmótica depende do número de partículas em solução. Por isso, é importante conhecer os íons e/ou moléculas efetivamente dissolvidos na solução. Para calcular a pressão osmótica, pode-se utilizar a seguinte forma da lei de Van´t Hoff: Em que: π = pressão osmótica (atm). R = constante dos gases ideais (0,082 atm x L x mol -1 x K -1 ). Φ = coeficiente osmótico. i = número teórico de partículas livres por molécula de soluto. = concentração, em mol/L, de soluto. O coeficiente osmótico (Φ) representa o desvio da solução do ideal. Ele depende da partícula dissolvida, da concentração dela e da temperatura. O valor de Φ pode ser superior ou inferior a 1. Um importante termo da equação de pressão osmótica é (Φi ). Ele representa a concentração osmoticamente efetiva e é denominado osmolaridade, medida na Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 21 unidade osmol por litro (Osm/L). Para estimar a osmolaridade de uma solução, é comum utilizar o valor 1 para o coeficiente osmótico (Φ): . Considerando Φ = 1: Exemplo: Qual é a osmolaridade aproximada de uma solução de NaCl 1 mol/L? O NaCl se dissocia na água em 2 partículas, Na + e Cl - . Logo, o valor de i é 2. Como se deseja calcular a osmolaridade aproximada da solução, pode-se considerar Φ = 1. Então: É muito freqüente fazer comparações das pressões osmóticas de duas soluções. Quando as pressões osmóticas de duas soluções (A e B, por exemplo) são iguais, elas são chamadas isosmóticas. Quando a pressão osmótica de A é maior do que de B, a solução A é hiperosmótica em relação a B. Se a pressão osmótica de A é menor do que de B, a solução A é hiposmótica em relação a B. 1.6. Tonicidade Na seção anterior, observou-se que a osmolaridade é uma propriedade da solução, que não depende, assim, da interação do soluto com a membrana osmótica. Nos sistemas biológicos, porém, é importante caracterizar tanto as propriedades da solução quanto a interação do soluto com a membrana, já que algumas substâncias são permeáveis por essa estrutura celular. O conceito biofísico que engloba esses dois parâmetros é a tonicidade. Assim, pode-se afirmar que a tonicidade depende da osmolaridade da solução e de um fator que reflete a permeabilidade do soluto, o coeficiente de reflexão (σ). O coeficiente de reflexão é específico para um determinado soluto e uma determinada membrana. O valor de σ varia de 0, para solutos extremamente permeantes, a 1, para solutos completamente impermeantes. As membranas plasmáticas da maioria das células do corpo humano são permeáveis a água, sendo, porém, relativamente impermeáveis a muitos solutos do líquido extracelular. Dessa forma, as membranas celulares estão sujeitas aos fenôme nos de osmose. Para analisar esses eventos, é comum utilizar as hemácias, já que elas são facilmente obtidas e estudadas. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 22 Quando se mergulham hemácias em uma solução de NaCl de aproximadamente 150 mmol/L (σ = 1, ou seja, o soluto é impermeável), observa-se que o volume dessas células não é alterado. Assim, pode-se afirmar que a solução de NaCl 150 mmol/L é isotônica à célula, já que não há fluxo osmótico nessa situação (as pressões osmóticas da hemácia e da solução são iguais). Outra conclusão desse evento é que as hemácias comportam como se, em seu interior, possuíssem uma solução de solutos impermeantes a 300 mOsm/L, que é a mesma osmolaridade da solução de NaCl 150 mmol/L. Uma solução de NaCl de concentração superior a 150 mmol/L é hipertônica à hemácia, já que a pressão osmótica da solução é maior do que a da célula. Nessa situação, há um fluxo de água para fora da hemácia e, assim, a célula irá murchar. Caso as hemácias sejam mergulhadas em uma solução de NaCl de concentração inferior a 150 mmol/L, ocorrerá um inchamento dessas células. Esse fenômeno será observado nas hemácias, em virtude do fluxo osmótico para dentro das células, o qual foi causado, por sua vez, pela reduzida pressão osmótica da solução em relação às células. Quando se colocam hemácias em contato com um soluto permeante, como a ureia 500 mOsm/L (σ = 0,5), as células, inicialmente, irão murchar. Porém, ao longo do tempo, ocorrerá a entrada de ureia nas hemácias e, em um determinado momento, essa substância estará em equilíbrio, ou seja, a ureia terá uma concentração de 250 mOsm/ L dentro e fora das hemácias. Assim, no equilíbrio, os eritrócitos estarão inchados e parte deles terá sofrido, até mesmo, lise. Dessa forma, pode-se definir a solução de ureia 500 mOsm/L como hipotônica em relação às hemácias. 1.7. Compartimentação biológica A água presente no corpo de um indivíduo está distribuída em dois componentes: líquido extracelular (LEC) e líquido intracelular (LIC). O LEC, como sugere seu nome, está localizado fora das células e pode ser dividido ainda em outros dois componentes: o líquido intersticial e o plasma sanguíneo. O líquido intersticial é a parte do LEC que está situada fora do sistema vascular, o qual está banhando as células do organismo. O LIC, como o próprio nome sugere, corresponde ao volume de água localizado no meio intracelular. O volume total de água presente em um indivíduo varia, entre outros fatores, com a idade e o sexo. Um homem adulto jovem de estatura média apresenta um volume total de água igual a 60% de seu peso corporal. A água está distribuída no organismo de um indivíduo como representado na FIGURA 5: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 23 FIGURA 5 – Distribuição de água em um indivíduo A água está em permanente movimento entre esses componentes corporais de modo a manter os volumes deles praticamente constantes. Assim, por exemplo, quando um indivíduo desidratado recebe soro fisiológico (solução de NaCl 0,3 Osm/L) intravenosamente, há um fluxo de água do LEC para o LIC de forma a manter, nesses componentes, os volumes de água de 40 % do peso corporal e 20 % do peso corporal, respectivamente. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 24 Capítulo II: Membranas Celulares e Seus Mecanismos de Transporte Sumário do capítulo: 2.1. Funções 2.2. Composição e Estrutura 2.3. Mecanismos de Transporte Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 25 Membranas Celulares As membranas celulares são envoltórios biológicos que delimitam compartimentos específicos na estrutura celular. São representadas pela membrana plasmática (membrana citoplasmática, sarcolema), membrana nuclear e pelas membranas que envolvem diversas organelas intracelulares (como a membrana do retículo endoplasmático e as membranas mitocondriais). 2.1 Funções Os diversos compartimentos individualizados pelas membranas celulares (núcleo, organelas intracelulares e citoplasma) apresentam características físico-químicas e estados termodinâmicos diferentes em relação ao meio no qual estão inseridos. Isto ocorre porque as membranas celulares agem como barreiras de permeabilidade, permitindo a manutenção de composições químicas distintas nos meios por elas interfaciados, e também a ocorrência de processos bioquímicos específicos em cada meio. Além disso, as membranas celulares contêm enzimas, receptores e antígenos em sua estrutura, os quais são importantes na interação da célula com a matriz extracelular, com outras células e com diversas substâncias reguladoras presentes no meio extracelular (hormônios, neurotransmissores e citocinas, dentre outras). 2.2 Composição e Estrutura As membranas celulares apresentam uma constituição básica lipoprotéica. A. Lipídeos das Membranas Celulares  Fosfolipídeos - são os principais lipídeos constituintes das membranas celulares. São substâncias que possuem caráter anfipático, apresentando em Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 26 sua estrutura molecular duas cadeias hidrocarbônicas apolares (caudas hidrofóbicas, provenientes de moléculas de ácidos graxos) e um grupamento terminal polar (cabeça hidrofílica) como ilustrado na Figuras 1. Figura 1 Estrutura molecular de um fosfolipídeo. A organização dos fosfolipídeos na estrutura da membrana celular, segundo o modelo do mosaico fluido, ocorre por meio da formação de uma bicamada fosfolipídica, na qual as cadeias hidrofóbicas de ácidos graxos estão orientadas para longe do contato com a água, permanecendo o grupamento polar hidrofílico em contato com o meio aquoso (Figura 2). Figura 2 Representação esquemática da organização dos fosfolipídeos em bicamada, situação que ocorre quando eles estão dispersos em meio aquoso. (Observe a orientação das caudas hidrofóbicas para o interior da bicamada, enquanto a disposição da molécula favorece o contato da cabeça hidrofílica com a água). Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 27  Colesterol – é uma substância pertencente à classe dos esteróides. Assim como os fosfolipídeos, também possui caráter anfipático, apresentando em sua estrutura molecular uma grande região apolar (consistindo em anéis esteróides e uma cadeia lateral hidrocarbônica) e um pequeno grupamento polar (consistindo em uma hidroxila) A figura 3 ilustra a estrutura do colesterol. Figura 3 Estrutura molecular do colesterol. O colesterol está presente apenas nas membranas celulares dos animais. Nestas células, a região apolar da molécula de colesterol interage com as caudas hidrofóbicas dos fosfolipídeos, enquanto o grupamento polar do colesterol interage com as cabeças hidrofílicas dos fosfolipídeos. As interações hidrofóbicas existentes entre o colesterol e os fosfolipídeos e a presença de anéis esteróides relativamente rígidos são importantes na determinação da viscosidade das membranas celulares, reduzindo a fluidez presente nas mesmas. B. Proteínas das Membranas Celulares  Proteínas integrais ou intrínsecas da membrana – estão embebidas na matriz da bicamada fosfolipídica por intermédio de interações hidrofóbicas envolvendo as cadeias hidrocarbônicas de ácidos graxos e cadeias laterais Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 28 apolares dos aminoácidos. Estas interações podem ser rompidas na presença de detergentes (como o triton, octilglucosídio e o dodecilsulfato de sódio).  Proteínas periféricas ou extrínsecas da membrana – estão associadas à superfície da membrana, na maioria das vezes por intermédio de interações por carga envolvendo as proteínas integrais da membrana. Alterações na composição iônica do meio podem romper estas interações e remover as proteínas periféricas da membrana. Figura 4 Representação esquemática da estrutura de membranas celulares. Os fosfolipídeos e as proteínas presentes nas membranas plasmáticas de células animais podem estar associados a moléculas de carboidrato originando, respectivamente, os glicolipídeos e as glicoproteínas. O conjunto das moléculas de carboidrato presente nestas membranas forma uma estrutura denominada glicocálix (ou glicocálice). Estas moléculas de carboidrato contêm domínios que funcionam como receptores para substâncias presentes no meio extracelular, como é o caso da toxina do cólera, que se liga a parte de carboidrato de um glicolipídeo especial, o gangliosídeo (G M1 ). Além disso, outros domínios funcionam como imunógenos, como é o caso dos antígenos A e B do sistema sanguíneo AB0. Segundo o modelo do mosaico fluido, os diversos componentes das membranas celulares (fosfolipídeos, colesterol e proteínas) estão livres para se movimentar no plano Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 29 da monocamada fosfolipídica original (Figura 5). A movimentação destes elementos (em particular dos fosfolipídeos) entre as duas camadas fosfolipídicas (flip-flop) ocorre mais lentamente; entretanto, é improvável que um grande componente hidrofílico consiga realizar tal movimento, visto que será necessário atravessar o interior hidrofóbico da membrana. Certos elementos não são passíveis de sofrer deslocamento na membrana celular, o que acarreta uma distribuição irregular destes pela estrutura da membrana (assimetria das membranas celulares). Figura 5 Representação esquemática dos tipos de movimentos possíveis das moléculas de fosfolipídeos em uma bicamada fosfolipídica. 3.3 Mecanismos de Transporte O transporte transmembranoso de substâncias ocorre por diversos mecanismos dependentes das propriedades morfofuncionais das membranas celulares. Algumas partículas são transportadas pelas membranas celulares sem, no entanto, atravessá-las de fato. Os mecanismos envolvidos no transporte destes materiais resultam na formação de vesículas (lipossomos) originadas das membranas celulares. Estas vesículas contêm em seu interior as moléculas a serem transportadas entre os mei os interfaciados pelas membranas. Este tipo de transporte envolve o dispêndio de energia metabólica sendo, portanto, classificado como transporte ativo. Os processos de transporte realizados por Endocitose, exocitose que são mediados por vesículas não serão aqui tratados. Várias substâncias atravessam as interfaces membranosas por mecanismos que independem da formação de vesículas. Nestes casos, o trânsito das partículas pode Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 30 ocorrer por: (1) difusão das partículas da substância por entre as moléculas cons tituintes das membranas celulares ou (2) proteínas de transporte específicas localizadas nas membranas celulares. A. Difusão Simples  Aspectos gerais – as partículas presentes em um meio são dotadas de velocidade térmica (relacionada à temperatura), que pode ser estimada pela relação: onde: = velocidade térmica média da partícula K = constante de Boltzmann T = temperatura absoluta m = massa da partícula O processo de difusão das partículas no meio ocorre devido ao movimento térmico aleatório (movimento browniano) que elas apresentam, representado na figura 6. Figura 6 Representação esquemática do movimento browniano de partículas em um determinado meio. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 31 O fluxo resultante de partículas na di fusão é direcionado da região onde elas estão mais concentradas (maior potencial químico das partículas) para a região onde é menor a sua concentração (menor potencial químico das partículas), o que resulta em uma distribuição homogênea destas por todo o meio. A difusão de partículas por distâncias microscópicas é um processo geralmente rápido; entretanto, quando as distâncias consideradas são de ordem macroscópica, este processo ocorre muito lentamente. Isto porque o intervalo de tempo necessário para a difusão de partículas no meio varia com o quadrado da distância, como explicitado na relação de Einstein: onde: ∆t = intervalo de tempo necessário para a difusão ∆x = distância média de difusão D = coeficiente de difusão O coeficiente de difusão é inversamente proporcional a raiz quadrada da Massa molecular (MM) 1/ 2 para moléculas pequenas e inversamente proporcional a raiz cúbica (MM) 1/3 para macromoléculas. O coeficiente de difusão para as macromoléculas esféricas pode ser calculado pela equação de Stokes-Einstein, já descrita no capítulo 1:  Difusão simples de partículas através das membranas celulares - as membranas celulares são impermeáveis à maioria das substâncias hidrofílicas presentes nas soluções biológicas, visto que o interior da bicamada fosfolipídica é essencialmente apolar (não permite o trânsito de moléculas pouco solúveis em solventes não-polares). As substâncias hidrofóbicas, por apresentarem boa solubilidade em solventes não-polares, são mais permeantes nas membranas celulares. A capacidade de dissolução Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 32 de uma substância em solventes polares e apolares pode ser analisada por meio do seu coeficiente de partição óleo/água, que é definido como a razão entre as solubilidades da substância no óleo e na água. Assim, quanto maior o coeficiente de partição óleo/água da substância, maior a sua solubilidade no interior da bicamada fosfolipídica e, portanto, maior a sua capacidade de difusão através das membranas celulares. O tamanho das partículas constituintes da substância também influencia significativamente no processo de difusão através das membranas celulares; quanto menor a partícula, maior a permeabilidade das membranas à substância. Assim, os solutos mais permeantes nas membranas celulares são os que apresentam elevado coeficiente de partição óleo/água e cujas partículas componentes são menores, como as moléculas de O 2 . Figura 7 Ilustração representando a permeabilidade das membranas celulares a diferentes solutos presentes nas soluções biológicas. Assim, os solutos mais permeantes nas membranas celulares são os que apresentam elevado coeficiente de partição óleo/água e cujas partículas componentes são menores, como as moléculas de O 2 . Algumas substâncias moleculares hidrofílicas cujas partículas possuem pequeno raio, apresentam considerável capacidade de difusão através das membranas celulares, como ocorre com as moléculas de água. Isto ocorre porque estas moléculas conseguem atravessar as cadeias de ácidos graxos dos fosfolipídeos sem, no entanto, solubilizarem-se nas moléculas lipídicas. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 33 As moléculas de água ainda se beneficiam da existência de proteínas transportadoras de membrana, denominadas aquaporinas, que funcionam como canais para a passagem de moléculas de água em seu interior, o que aumenta bastante a capacidade de transporte destas moléculas através das membranas celulares. A magnitude da difusão através das membranas celulares pode ser determinada por meio da primeira lei de Fick, já descrita no capítulo 1: O fluxo resultante da difusão também pode ser calculado considerando a permeabilidade específica da membrana para solutos específicos, por meio da equação: onde: J = fluxo resultante da difusão Ps = permeabilidade da membrana a determinado soluto (S) ∆C = diferença de concentração da substância através da membrana O processo de difusão de partículas através das membranas celulares não envolve gasto de energia metabólica (transporte passivo). B. Osmose A osmose é um caso particular de difusão que ocorre através de uma membrana semipermeável (não permite a passagem de solutos, apenas de moléculas de água). Neste processo, o fluxo resultante das moléculas de água é direcionado da solução que apresenta menor concentração de solutos (maior potencial químico da água) para a que apresenta maior concentração de solutos (menor potencial químico da água). Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 34 As membranas celulares, como falado anteriormente, são impermeáveis à maioria das substâncias hidrofílicas presentes nas soluções biológicas. Assim, alterações nas concentrações químicas de vários solutos (presentes nas soluções interfaciadas pelas membranas) são acompanhadas de fluxo resultante de água através das interfaces membranosas. C. Transporte Mediado por Proteínas Diversas substâncias hidrofílicas, eletrólitos e partículas grandes não são passíveis de se difundirem através das membranas celulares, ou o fazem em uma taxa extremamente baixa. Assim, o transporte destes solutos é mediado por proteínas integrais das membranas. Estas proteínas podem ser de dois tipos: (1) canais iônicos ou (2) proteínas transportadoras (carreadoras). A maioria dos íons não atravessa as membranas celulares por difusão simples, visto que o interior apolar da bicamada fosfolipídica impede a passagem de substâncias pouco solúveis em solventes apolares (substâncias hidrofílicas, íons). Assim, o transporte passivo de grande parte dos íons ocorre por intermédio de proteínas integrais da membrana que apresentam, em seu interior, um canal apropriado para a passagem destas partículas (canais iônicos). Estes canais apresentam conformações podem estar abertos, fechados ou ainda inativados. Uma parte da proteína constituinte do canal funciona como comporta e alterações conformacionais aleatórias na proteína determinam alternância da comporta entre os estados aberto e fechado. O transporte por meio de canais iônicos apresenta magnitude maior que o realizado por intermédio de proteínas carreadoras. Os canais iônicos podem ser controlados por voltagem ou controlados por ligantes. No primeiro caso, a probabilidade de um canal encontrar-se no estado aberto depende do valor da voltagem transmembranar. No segundo caso, a concentração do ligante é que influencia na probabilidade de um canal iônico encontrar-se no estado aberto (Figura 8). Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 35 Figura 8 Representação esquemática de um canal iônico presente na membrana plasmática. Para substâncias que apresentam a mesma massa molecular e a mesma solubilidade lipídica o transporte mediado por proteínas é muito mais rápido quando comparado ao processo de difusão simples através das membranas celulares Entretanto, ele apresenta a cinética de saturação, algo que não ocorre na difusão (Figura 9). Assim, um aumento na concentração do soluto a ser transportado é acompanhado de um aumento na taxa de transporte, mas a partir de determinada concentração a taxa de transporte não mais se altera (fluxo máximo) (Figura 10). Isto ocorre porque há uma saturação dos sistemas de transporte com o soluto transportado. Figura 9 Gráfico ilustrando a relação entre o fluxo (F) e a concentração (C) do soluto no processo de difusão simples. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 36 Figura 10 Gráfico ilustrando a relação entre o fluxo (F) e a concentração (C) do soluto no processo de difusão facilitada. (Observe a relação entre os gráficos de difusão simples e facilitada, demonstrando a maior taxa desta última - considerando as mesmas variáveis). A taxa máxima de transporte mediado pode ser representada pela equação de Michaelis-Menten, descrito para enzimas: ] [ ] .[ S K S J J m máx + = onde: J = taxa de transporte do soluto (S) J máx = taxa máxima de transporte do soluto (S) [S] = concentração do soluto (S) K m = constante aparente de Michaelis para o transportador Quando [S] = K m , J = J máx / 2. Assim, o K m pode ser definido como a concentração do soluto transportado necessária para a metade do transporte máximo. Outra propriedade importante do transporte mediado é a especificidade química do transportador. Esta especificidade, porém, não é absoluta para a maioria das proteínas transportadoras e é mais ampla que a especificidade existente nas enzimas. O transporte mediado por proteínas pode ainda sofrer competição por moléculas estruturalmente semelhantes. Assim, a presença de um substrato para o transportador irá reduzir a taxa de transporte de outro substrato para o mesmo transportador. Existem ainda, compostos estruturalmente relacionados Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 37 aos substratos do transportador que podem se ligar à proteína transportadora, diminuindo a afinidade com o substrato normalmente transportado (inibidor).  Transporte facilitado (difusão facilitada) – é um tipo de transporte mediado por proteínas carreadoras no qual não há gasto de energia metabólica (transporte passivo). Possui todas as propriedades acima descritas, com a ressalva de que este transporte não é deprimido por inibidores metabólicos. Neste processo, o substrato se liga à proteína carreadora que, a seguir, sofre uma mudança conformacional (ping-pong) que resulta no deslocamento do substrato para a outra face da membrana (Figura 11), tendendo a igualar as concentrações do mesmo através da interface membranosa (a favor do gradiente de concentração química). Como exemplo temos a entrada de monossacarídeos nas células musculares por meio do transporte facilitado. Figura 11 Representação esquemática do processo de transporte facilitado (difusão facilitada).  Transporte ativo – é um tipo de transporte mediado por proteínas carreadoras no qual há gasto de energia metabólica. Ao contrário do que ocorre na difusão facilitada, neste tipo de transporte os substratos são transportados contra o gradiente de concentração química. Além disso, os íons podem ser transportados por estas proteínas carreadoras contra um potencial eletroquímico (os canais iônicos, como será visto no capítulo 3, transportam os íons a favor de um potencial eletroquímico). Este tipo de Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 38 transporte deve estar acoplado direta ou indiretamente ao metabolismo energético da célula. Assim, podemos classificar o transporte ativo em: a) Transporte ativo primário – está acoplado diretamente ao metabolismo energético da célula como, por exemplo, pela utilização do ATP como fonte energética. O íon Na + está mais concentrado no meio extracelular em comparação ao interior da célula, o que favorece a sua entrada na célula através de canais iônicos específicos presentes na membrana plasmática. O contrário ocorre com o íon K + que, estando mais concentrado no meio intracelular, tende a sair da célula também por canais iônicos específicos presentes na membrana plasmática. Estes processos tendem a i gualar as concentrações destes íons através das membranas. Isto não ocorre porque todas as células apresentam a Na + , K + - ATPase (bomba de Na + e K + ), uma proteína carreadora responsável por realizar o transporte ativo (acoplado ao ATP, como o nome sugere) destes íons contra os seus gradientes de concentração. Assim, o Na + é transportado para fora da célula enquanto o K + é transportado para o interior da mesma. Em cada ciclo de transporte 1 molécula de ATP é hidrolisada, 3 íons Na + são transportados para o meio extracelular e 2 íons K + são transportados para o meio intracelular. Quando as magnitudes dos transportes passivos (através dos canais iônicos) e ativos (por meio das ATPases) destes íons através da membrana plasmática são iguais, estabelece-se um estado estacionário no qual as concentrações dos íons nos meios intra- e extracelular não se alteram. b) Transporte ativo secundário – está acoplado indiretamente ao metabolismo energético da célula. Alguns tipos de substratos (aminoácidos, glicose, etc.) podem ser captados pelas células por transporte ativo secundário. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 39 A bomba de Na + e K + (transporte ativo primário) cria um gradiente eletroquímico do Na + através da membrana plasmática, o que possibilita o seu deslocamento para o interior da célula por transporte através de canais iônicos (transporte passivo). Assim, o transporte passivo do Na + libera uma quantidade de energia que será utilizada para transportar ativamente a glicose (maior concentração no meio intracelular) para o interior da célula, portanto, contra o gradiente de concentração química. Note que, neste caso, a energia proveniente da hidrólise do ATP é utilizada no transporte ativo dos íons Na + e, consequentemente, no estabelecimento de um gradiente eletroquímico deste íon através da membrana. Este gradiente, por sua vez, impulsiona o movimento passivo dos íons Na + concomitante ao transporte da glicose para o interior da célula. Para completar o seu estudo: - AIRES, M. de M. Fisiologia. 3. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008. - BERNE, R. M. et al. Fisiologia. 5. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2004. - GANONG, W. F. Fisiologia médica. 22. ed. Rio de Janeiro: McGraw-Hill Interamericana do Brasil, 2006. - HENEINE, I. F. Biofísica Básica. São Paulo: Editora Atheneu, 2000. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 40 Capítulo III: Gênese dos Potenciais de Membrana: Potencial de Ação e Potencial de Repouso Sumário do capítulo: 3.1. Equilíbrio Iônico Através da Membrana Plasmática 3.2. Equilíbrio de Gibbs-Donnan 3.3. Transporte Ativo de Íons e o Potencial de Repouso 3.4. Gradiente de Íons e o Potencial de Repouso da Membrana 3.5. Variações do Potencial de Membrana: Respostas Sublimiares e Potencial de Ação 3.6. Gênese do Potencial de Ação 3.7. Propriedades dos Potenciais de Ação Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 41 Potencial de Repouso As células em geral apresentam, quando em repouso, uma diferença de potencial elétrico (ddp, voltagem) entre as faces interna e externa da membrana plasmática; o meio intracelular possui um potencial elétrico negativo em relação ao meio extracelular. Esta voltagem existente através da membrana plasmática é denominada potencial de repouso (potencial face interna – potencial face externa ). 3.1 Equilíbrio Iônico Através da Membrana Plasmática Conforme descrito no capítulo II, os íons são transportados passivamente através da membrana plasmática por intermédio dos canais iônicos. Neste processo, 2 forças propulsoras agem sobre os íons: uma de natureza química e outra de natureza elétrica. O potencial químico de um determinado íon está relacionado à concentração deste íon no meio. Quando uma interface membranosa separa dois meios que apresentam potenciais químicos distintos para determinado íon, este tende a se mover do meio com maior potencial químico (maior concentração química) para o meio que apresenta o menor potencial químico (menor concentração química). Assim, a força propulsora de natureza química é devido à existência de uma diferença de potencial químico (diferença de concentração química) entre as duas faces da membrana plasmática. Além disso, por serem partículas dotadas de carga elétrica, os íons estão submetidos a uma força propulsora de natureza elétrica, originada da voltagem existente através da membrana plasmática. Então, o movimento resultante dos íons através da membrana plasmática depende de qual efeito é maior, o efeito da diferença de concentração química ou o efeito da diferença de potencial elétrico. Esta interação entre forças de naturezas distintas pode ser descrita em termos do potencial eletroquímico (μ) de um determinado íon (X + por exemplo), como demonstrado na relação: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 42 ) .( . ] [ ] [ ln . . ) ( ) ( ) ( B A B A X B X A X E E F z X X T R ÷ + = ÷ = A + + + + + µ µ µ onde: Δμ = diferença de potencial eletroquímico do íon X + entre os lados A (intracelular) e B (extracelular) da membrana plasmática R = constante dos gases ideais T = temperatura absoluta ln B A X X ] [ ] [ + + = logaritmo natural da razão das concentrações de X + nos dois lados da membrana plasmática z = valência do íon F = número de Faraday E A – E B = diferença de potencial elétrico através da membrana plasmática (meio intracelular – meio extracelular) O primeiro termo da equação (R.T.ln B A X X ] [ ] [ + + ) representa a tendência dos íons se movimentarem devido à diferença de concentração química existente entre os dois lados da membrana plasmática, enquanto o segundo termo, z.F.(E A – E B ), representa a tendência dos íons se deslocarem devido à existência da diferença de potencial elétrico ao longo da espessura da membrana. O transporte resultante dos íons ocorre do meio que apresenta o maior potencial eletroquímico para o meio que apresenta o menor potencial eletroquímico. Assim, se μ A > μ B , o Δμ é positivo e o deslocamento dos íons será orientado do meio A para o meio B; se μ A < μ B , o Δμ é negativo e o transporte ocorrerá no sentido oposto. Quando as duas forças propulsoras que agem sobre os íons possuem a mesma magnitude e sentidos opostos, o Δμ = 0 e não há força resultante atuando sobre os íons. Neste caso, diz-se que o íon encontra-se em equilíbrio eletroquímico: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 43 0 ) .( . ] [ ] [ ln . . = ÷ + + + B A B A E E F z X X T R A B B A B A X X F z T R X X F z T R E E ] [ ] [ ln . . . ] [ ] [ ln . . . + + + + = ÷ = ÷ Esta última equação é denominada equação de Nernst e é utilizada para determinar a condição de equilíbrio eletroquímico de uma espécie iônica através da membrana. Por meio dela pode-se determinar qual é a diferença de potencial elétrico necessária para os íons permanecerem em equilíbrio através da membrana plasmática. Uma forma mais prática de utilizar a equação de Nernst é por meio da transformação da equação em logaritmo decimal, considerando a temperatura fixa em 25 o C , e substituindo os valores para as constantes R e F B A B A X X z mV E E ] [ ] [ log 60 + + ÷ = ÷ A equação de Nernst pode ser utilizada para predizer o sentido do fluxo espontâneo dos íons: - Se o E A – E B através da membrana for igual ao E A – E B calculado a partir da equação de Nernst, o íon encontra-se em equilíbrio eletroquímico e não há fluxo resultante entre os compartimentos; - Se o E A – E B através da membrana tem o mesmo sinal (positivou ou negativo) do E A – E B calculado pela equação de Nernst, mas é maior em módulo, a força de natureza elétrica é maior que a força de natureza química e, portanto, o movimento dos íons é determinado pela força elétrica; Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 44 - Se o E A – E B tem o mesmo sinal, porém é menor em módulo que o E A – E B calculado pela equação de Nernst, a força de natureza química é maior que a força de natureza elétrica e, portanto, o movimento dos íons é determinado pela diferença de concentração química; - Se o sinal do E A – E B através da membrana é oposto ao calculado pela equação de Nernst, as forças de natureza elétrica e química estão orientadas para o mesmo sentido. Desta maneira, os íons não estão em equilíbrio e o fluxo é dado pela soma das duas forças propulsoras. 3.2. Equilíbrio de Gibbs-Donnan As células apresentam em seu citoplasma algumas substâncias dotadas de carga elétrica (proteínas, polifosfatos orgânicos, ácidos nucléicos etc.) que não são passíveis de serem transportadas pelos canais iônicos devido ao seu tamanho. Assim, tais moléculas impermeantes são responsáveis por um tipo de equilíbrio eletroquímico estabelecido através das membranas plasmáticas denominado equilíbrio de Gibbs- Donnan. Observe a seguinte situação: Figura 1: Dois compartimentos separados por membrana permeável a água, ao K + e ao Cl - , mas não ao Y - . A figura 1 representa um sistema constituído por dois compartimentos, A e B, separados por uma membrana semipermeável. O compartimento A está preenchido por uma solução aquosa dos íons K + e Y - , e o compartimento B está preenchido por uma solução aquosa dos íons K + e Cl - . Esta membrana é permeável a água, ao K + e ao Cl - , mas não ao Y - . Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 45 Como a [Cl - ] B > [Cl - ] A , estes íons tendem a se movimentar do lado B para o lado A devido à diferença de concentração química. Este fluxo iônico cria uma diferença de potencial elétrico entre os dois lados da membrana, devido ao acúmulo de cargas elétricas negativas (Cl - ) no compartimento A. Isto resulta em um fluxo dos íons K + para o lado A, orientados pela força propulsora de natureza elétrica. Após um determinado tempo, os íons Cl - e K + atingirão o equilíbrio, no qual o Δμ K+ e o Δμ Cl- deverão ser nulos. Para atingir a situação de equilíbrio, duas condições devem ser satisfeitas: - Os dois compartimentos devem apresentar neutralidade elétrica: A A A Y Cl K ] [ ] [ ] [ ÷ ÷ + + = e B B Cl K ] [ ] [ ÷ + = - Os íons permeantes na membrana devem satisfazer a seguinte relação: B B A A Cl K Cl K ] .[ ] [ ] .[ ] [ ÷ + ÷ + = Esta última equação é denominada equação de Gibbs-Donnan. A partir destas equações pode-se determinar as concentrações finais dos íons nos compartimentos A e B, ilustradas na figura 2. Figura 2: Concentrações finais dos íons nos compartimentos A e B. Como os íons permeantes (K + e Cl - ) estão em equilíbrio eletroquímico através da membrana, podemos utilizar a concentração de qualquer destes íons nos compartimentos A e B para, a partir da equação de Nernst, calcular a diferença de Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 46 potencial elétrico através da membrana. Vamos utilizar, como exemplo, as concentrações do K + : ( ) ( ) mV mV mV mV E E B A 18 3 , 0 . 60 2 log . 60 ... 066 , 0 ... 333 , 1 log . 60 ÷ = ÷ = ÷ = | . | \ | ÷ = ÷ Podemos perceber que a presença de íons impermeantes (neste caso, o Y - ) implica na geração de um potencial elétrico negativo no compartimento que os contêm. A presença de tais solutos no interior da célula contribui em cerca de -10 mV para o potencial de repouso na membrana plasmática em relação ao meio extracelul ar. 3.3 Transporte Ativo de Íons e o Potencial de Repouso A Na + , K + - ATPase presente na membrana plasmática das células é responsável pela manutenção dos gradientes iônicos de Na + e K + ao longo da interface membranosa (capítulo II). Neste processo, em cada ciclo de transporte 3 Na + são ejetados da célula enquanto 2 K + são transferidos para o citoplasma, o que acarreta um acúmulo de carga positiva no meio extracelular em relação ao meio intracelular. Assim, o bombeamento ativo de íons através da membrana plasmática contribui diretamente na gênese do potencial de repouso da membrana plasmática (bomba eletrogênica). Na maioria das células nervosas e musculares esqueléticas dos vertebrados, a contribuição direta da bomba no potencial de repouso é cerca de -5 mV. Além da participação direta na gênese do potencial de repouso da membrana plasmática, esta ATPase possui uma importante participação indireta, por meio da manutenção de gradientes dos íons Na + e K + , o que possibilitará a ocorrência de fluxos iônicos (o principal determinante do potencial de repouso, como será descrito no próximo item). Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 47 3.4 Gradiente de Íons e o Potencial de Repouso da Membrana A distribuição dos íons através da membrana plasmática acarreta fluxos iônicos entre os compartimentos intra- e extracelular. Neste processo, cada íon tende a atingir o equilíbrio eletroquímico e, consequentemente, trazer o potencial de repouso da membrana (E m ) para próximo do seu próprio potencial de equilíbrio (conforme calculado pela equação de Nernst). Os principais íons envolvidos neste processo e o seu respectivo potencial de equilíbrio, para concentrações usuais são os seguintes: K + (-105 mV), Na + (+67 mV) e Cl - (-90 mV). A condutância (g) da membrana plasmática a determinado íon determina o grau de permeabilidade da membrana ao fluxo iônico. Assim, quanto maior a condutância da membrana ao íon, maior será tendência do íon em trazer o potencial de repouso da membrana para próximo do seu potencial de equilíbrio eletroquímico e, assim, mais próximo ele estará do equilíbrio. Os principais íons envolvidos na determinação do potencial de repouso da membrana podem ser relacionados pela equação: Cl Cl Na Na K K m E g g E g g E g g E ¿ + ¿ + ¿ = Esta equação é denominada equação de condutância de corda e é utilizada para predizer a tendência do íon em trazer o potencial de repouso da membrana para próximo do seu potencial de equilíbrio. Nesta equação, a soma das condutâncias dos íons é igual a 1: 1 ) ( = + + = ¿ Cl Na K g g g g Em células musculares de vertebrados, o potencial de repouso da membrana é cerca de -90 mV. Assim, podemos concluir que a condutância da membrana ao íon Cl - é maior em relação aos outros 2 íons, visto que o potencial de repouso da membrana plasmática se aproxima do potencial de equilíbrio para o Cl - . No mesmo caso, a condutância do Na + é a menor dos 3 íons, pois ele possui um potencial de equilíbrio mais afastado do potencial de repouso da membrana. Assim, podemos concluir que a difusão iônica é o principal mecanismo pelo qual o potencial de repouso da membrana plasmática é estabelecido. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 48 Potencial de Ação O potencial de ação pode ser definido como uma alteração rápida e transitória do potencial de repouso da membrana plasmática, a qual é passível de ser transmitida através da extensão celular mantendo constante o seu tamanho e forma durante o processo. A gênese e a transmissão do potencial de ação é a base biofísica da capacidade celular de transmissão de sinais nas células excitáveis (ex.: neurônios, fibras musculares lisas e estriadas). 3.5 Variações do Potencial de Membrana: Respostas Sublimiares e Potencial de Ação Como foi descrito no tópico anterior, o potencial de repouso da membrana plasmática é cerca de -90 mV. A aplicação de pulsos de corrente elétrica à membrana pode alterar este valor aumentando-o (por exemplo, para -50 mV), tornando-o mais positivo ou diminuindo-o (por exemplo, para -110 mV), tornando-o mais negativo; no primeiro caso, ocorre uma despolarização da membrana, enquanto no segundo ocorre uma hiperpolarização da mesma. Quando pequenos pulsos despolarizantes são aplicados à membrana plasmática, eles propagam-se pela célula com uma redução em seu tamanho e alteração da sua forma inicial, fenômeno denominado condução com atenuação. Assim, quando mais afastada a região do lugar no qual ocorreu a aplicação do pulso, menor será a alteração do potencial de membrana original existente na região. Estes pulsos que são transmitidos com atenuação acarretam uma resposta celular local (resposta sublimiar), visto que eles são “perdidos” durante o processo de condução, não sendo capaz de provocar alterações por toda a célula. Quando o pulso aplicado acarreta despolarizações acima de determinado valor limiar (potencial limiar de membrana), um potencial de ação é disparado e transmitido ao longo da célula. Este potencial é uma resposta muito maior, na qual ocorre reversão da polaridade da membrana (o interior da célula se torna positivo em relação ao exterior) e, durante a sua propagação, não ocorre atenuação do mesmo, que mantém a sua forma e tamanho durante todo o processo. Assim, os potenciais de ação são capazes Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 49 de desencadear respostas em toda a célula, e não apenas em uma região celular restrita (resposta local) (Figura 3). Figura 3 Gráfico explicitando as alterações possíveis do potencial de membrana da célula. É importante notar que um estímulo despolarizante deflagra ou não um potencial de ação (em caso negativo, ocorrerá uma resposta sublimiar). Por isso, o potencial de ação é descrito como uma resposta tudo-ou-nada. 3.6 Gênese do Potencial de Ação Os fluxos iônicos de Na + e K + são fundamentais na gênese do potencial de ação nas células excitáveis. Como foi descrito anteriormente, os íons transitam através da membrana plasmática do meio com o maior potencial eletroquímico para o meio com o menor potencial eletroquímico. Durante este processo, tendem a trazer o potencial da membrana para próximo do seu próprio potencial de equilíbrio. Os movimentos iônicos através da membrana plasmática ocorrem por meio de canais iônicos específicos. Estes possuem comportas de ativação e comportas de inativação, que são responsáveis pela alteração da condutância (g) do íon em questão. D. Neurônios No início do processo, a condutância para o Na + (g Na ) eleva-se rapidamente e o potencial de membrana tende a aproximar-se do potencial de equilíbrio do Na + (+67 mV) (despolarização da membrana). A condutância para o sódio atinge o pico quase ao mesmo tempo em que o potencial de ação Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 50 atinge o valor máximo. Apesar disso, o potencial de membrana não chega a atingir o potencial de equilíbrio do sódio, pois desde o início do processo ocorre um aumento do g K ,que se processa de forma mais lenta e, portanto, “segura o potencial” para este não atingir valores tão elevados. O rápido retorno do potencial aos valores de repouso é causado pela rápida redução do g Na e pela elevação progressiva do g K . Assim a membrana repolariza-se, visto que o potencial tende a aproximar-se do potencial de equilíbrio do K + (-105 mV). Da mesma forma, o potencial da membrana não chega a atingir o potencial de equilíbrio do K + , visto que a condutância do potássio vai reduzindo-se lentamente e, portanto, o potencial retorna ao seu valor de repouso. O intervalo no qual o potencial da membrana é menor que o seu de repouso e maior que o potencial de equilíbrio do K+ é denominado pós- potencial hiperpolarizante (Figura 4). Figura 4 Representação do potencial de ação em neurônios. (Observe a presença do pós-potencial hiperpolarizante indicado pela fase 3). E. Músculos Cardíaco e Liso A gênese do potencial de ação nas fibras musculares cardíacas e lisas apresenta certas particularidades que diferem da origem do mesmo nos neurônios. Nestas fibras musculares, após o pico do potencial de ação, este não retorna rapidamente ao seu valor de repouso, mas sim mantém um platô de potencial elevado. Isto ocorre porque, enquanto há um aumento rápido no Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 51 g Na , ocorre também um aumento do g Ca , pela abertura dos canais lentos de cálcio. Assim, quando ocorre diminuição da g Na , os canais de Ca 2+ ainda estão abertos, o que sustenta o potencial de ação no platô. Depois, o g Ca diminui de forma lenta e ocorre a abertura rápida dos canais de K + . Figura 5- Representação do potencial de ação em fibras musculares cardíacas e lisas. (Observe a presença do platô após o pico do potencial). 3.7 Propriedades dos Potenciais de Ação  O potencial de ação somente ocorre após atingir um valor limiar de potencial porque há a necessidade de recrutar um número mínimo de canais para o fluxo iônico rápido.  A redução da condutância dos íons que ocorre após o seu aumento ocorre devido à inativação por voltagem dos canais iônicos (por meio das comportas de inativação). Após a inativação, os canais devem ser submetidos à repolarização de repouso para serem aberto de novo.  Durante a maior parte do potencial de ação, a célula é refratária à geração de novos potenciais. Assim, ela é incapaz de disparar um segundo potencial de ação, independente da intensidade do estímulo aplicado. Este estado é denominado período refratário absoluto. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 52  Durante a parte final do potencial de ação, a célula é capaz de disparar um novo potencial, mas um estímulo mais intenso é necessário. Neste tempo, uma parte dos canais de Na + ainda está inativo, portanto é necessário um estímulo maior para abrir um número crítico de canais de Na + necessário para desenvolver o potencial de ação.  Quando uma célula excitável é despolarizada lentamente, o limiar pode ser ultrapassado sem que um potencial de ação seja desencadeado. Neste processo, os canais de sódio que são abertos pela despolarização são inativados antes que o número crítico de canais para ter o potencial seja atingido. Além disso, ocorre abertura dos canais de K + , que tendem a repolarizar a membrana, evitando a despolarização acentuada e rápida da mesma. Para completar o seu estudo: AIRES, M. de M. Fisiologia. 3. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008. BERNE, R. M. et al. Fisiologia. 5. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2004. GANONG, W. F. Fisiologia médica. 22. ed. Rio de Janeiro: McGraw-Hill Interamericana do Brasil, 2006. HENEINE, I. F. Biofísica Básica. São Paulo: Editora Atheneu, 2000. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 53 Capítulo IV Introdução à Radioatividade, Emissões Primárias, Emissões Secundárias, Transmutação Radioativa, A Energia Nuclear e Suas Aplicações, Radiações X e Ultravioleta, Radiobiologia e Radioproteção. Sumário do capítulo: 4.1- Introdução à Radioatividade 4.2- Emissões Primárias 4.3- Emissões Secundárias 4.4- Transmutação Radioativa 4.5- A Energia Nuclear e Suas Aplicações 4.6- Radiações X e Ultravioleta 4.7- Radiobiologia 4.8- Radioproteção Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 54 4.1- Introdução à Radioatividade A radioatividade é o fenômeno baseado na emissão de partículas ou de energia por um radioisótopo, também chamado de radionuclídeo, átomo com excesso de matéria (partículas) ou de energia no núcleo. Assim, as radiações nucleares podem ser de duas naturezas: partículas ou ondas eletromagnéticas. As partículas possuem massa e carga, além de sua velocidade variar de acordo com sua energia. Já as ondas são desprovidas de massa e de carga e sua velocidade é de 300.000 Km/s. Como conseqüência desse fenômeno, que é espontâneo, tais elementos adquirem um estado de maior estabilidade. Diversos elementos com tais características são encontrados na natureza, como o Urânio 235 , cujo tempo de meia-vida é de 713 milhões de anos, enquanto outros apresentam uma existência efêmera, a exemplo do Polônio 212 (meia-vida de 3x10 -7 segundos). Já outros são obtidos artificialmente em reatores nucleares e aceleradores de partículas. A população mundial está constantemente exposta à radiação, tanto oriunda (1) dos raios cósmicos; (2) do solo, que varia de acordo com as características geográficas de cada região, como o exemplo de Guarapari-Es, onde as areias monazíticas elevam a radiação ambiental; e (3) radiação de origem interna, devido ao acúmulo de radionuclídeos em tecidos e órgãos adquiridos através de alimentos, água e inalação. A radiação emitida por um radioisótopo pode ser classificada em primária ou secundária, da seguinte maneira: 4.2- Emissões Primárias - Partículas Alfa Assemelham-se ao núcleo do átomo de hélio e, dessa forma, possuem dois prótons e dois nêutrons, o que lhe confere a carga 2+ (figura 1). A interação dessa partícula com o ser humano é limitada pelo poder mínimo que tem de penetração, ou seja, ao incidir sobre a matéria, qualquer que seja ela, essa partícula tem sua trajetória desviada por espessuras tão finas quanto as de uma folha de papel (figura 6). Figura 1- Emissões primárias Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 55 Durante sua propagação, as partículas alfa (α) podem interagir com a matéria, trocando energia. Há atração eletrostática, associada a uma elevada energia cinética, entre as partículas α e elétrons, estes presentes nos orbitais de átomos que encontra em sua trajetória, podendo promover a retirada dos elétrons e, assim, as partículas alfa são capazes de ionizar a matéria com a qual interagem. Sendo X e W elementos químicos genéricos, a equação geral que gera uma partícula α, também conceituada como equação de decaimento α (porque há diminuição de 4 unidades de massa e de 2 no número atômico) é a seguinte: → 2- + 2+ - Partículas Beta A emissão de partículas beta decorre do excesso de nêutrons em relação a prótons ou do excesso de prótons em relação a nêutrons no núcleo. Na primeira situação, há a conversão de um nêutron em um próton e a liberação de uma partícula negativa, partícula beta negativa (β - ) ou elétron, como pode ser visto na figura 2. Em contrapartida, no segundo caso, há a transformação de um próton em um nêutron e a liberação de uma partícula beta positiva (β + ), pósitron ou anti- elétron. As partículas beta apresentam maior poder de penetração (podem atravessar vários centímetros de camadas de ar e folha de papel) em relação às partículas alfa. Podem interagir com a matéria de maneiras distintas. Assim, partículas β - , ao passarem nas proximidades de orbitais atômicos, causam ionização por repulsão eletrostática, porém são menos ionizantes do que partículas alfa. A partícula β + , por sua vez, pode se chocar com um elétron, o que promove a conversão da matéria em radiação gama, fenômeno conhecido como aniquilação. Sendo X e W elementos químicos genéricos, as equações gerais do decaimento de partículas β são as seguintes: Equação geral do decaimento β - : → 1+ + β - Figura 3- Exemplo de emissão de partícula beta Figura 2- Exemplo de emissão beta negativa. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 56 Equação geral do decaimento β + : → 1- + β + - Radiação Gama É emitida geralmente após a emissão de partículas alfa ou beta, quando há ainda excesso de energia no núcleo. É constituída por ondas eletromagnéticas, sendo altamente penetrante (para ser barrada, é preciso uma parede de chumbo com muitos centímetros de espessura, como mostrado na figura 6). Da sua interação com a matéria, resultam o efeito fotoelétrico e o efeito Compton e também a formação de par iônico. Sabe-se que a radiação gama é a menos ionizante das emissões radioativas. O efeito fotoelétrico resulta da absorção de um fóton (quantidade de energia a ser absorvida para que ocorra ionização) por um elétron orbital, o que causa ionização. Já o efeito Compton ocorre quando a energia da radiação gama é maior do que a necessária para provocar a ejeção de apenas um elétron. Dessa forma, o excesso de energia é absorvido por outros elétrons, que abandonam o domínio orbital (figura 4). O fóton incidente pode ser desviado de sua trajetória por um elétron situado em uma órbita mais externa de um dos átomos do meio no qual ele incidiu. A transferência de energia do fóton para o elétron é parcial, assim o fóton continua transferindo sua energia para outros elétrons. Os elétrons ejetados passam a ionizar a matéria. Figura 3- Emissão de radiação gama. Figura 4- Efeito Compton. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 57 Figura 6- Poder de penetração das radiações alfa, beta e gama. Figura 5- Formação do par Elétron-pósitron. Ao passar próximo a um núcleo atômico, a radiação gama (semelhante ao raio-X), pode interagir com ele, sendo convertida em um par eletrônico, β + e β - , fenômeno contrário ao da aniquilação, representado na figura 5. Para que a produção de um par ocorra é necessário que o fóton tenha energia maior ou igual a 1.022 keV (quiloelétrons-volt), a saber: a energia de repouso do elétron é igual a 511 keV. As partículas são criadas simultaneamente em sentidos opostos. O elétron criado pode continuar ionizando o meio, já o pósitron se recombina com um elétron livre do meio, emitindo dois fótons e estes tem a capacidade de continuar ionizando o meio. A criação de pares ocorre para altas energias e elementos de Z elevado. A figura 6 acima compara o poder de penetração das radiações produzidas por emissão primária α, β, e γ em relação a uma folha de papel, uma mão de um ser humano, uma viga de aço e uma parede de chumbo com muitos centímetros de espessura. 4.3- Emissões Secundárias Em determinadas situações, o núcleo atômico captura um elétron orbital, geralmente do nível K e, com menos freqüência, dos níveis L e M, o que resulta em emissão de radiação gama pelo núcleo devido ao excesso de energia do elétron. Pode ocorrer rearranjo orbital, ou seja, elétron de orbital mais externo ocupar a vacância do nível K e, como conseqüência, haver emissão de raio-X. O elemento que sofrer esse processo se transforma em outro com número atômico uma unidade menor. Quando o núcleo atômico encontra-se com excesso de energia, pode haver o rearranjo de suas partículas e a emissão de radiação gama como conseqüência, fato conhecido como transição isomérica. Nesse processo, a radiação gama emitida pode ser absorvida por elétrons orbitais, que são ejetados do domínio orbital. O preenchimento Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 58 dessas vacâncias por elétrons vindos de níveis mais externos promove, por sua vez, a liberação de raio-X orbital. As radiações que apresentam menor energia são capazes de ejetar apenas elétrons de camadas mais externas, de modo que, quando essa vacância é ocupada por um elétron mais externo, ocorre a liberação de raios ultravioleta (UV) ou luz visível. 4.4- Transmutação Radioativa Como consequência da emissão de partículas alfa e beta, ocorre a alteração do número atômico, fenômeno conhecido como transmutação radioativa, desintegração radioativa ou decaimento radioativo. Assim, um átomo-pai dá origem a um átomo- filho, tendo este maior grau de estabilidade. Considerando-se uma amostra de isótopos instáveis, sabe-se que no tempo 0 (t = 0), haverá N 0 átomos. Em razão da instabilidade energética, átomos dessa amostra sofrerão transmutação radioativa com o passar do tempo. Assim, após um intervalo de tempo t, a quantidade de átomos do elemento original na amostra será N = N 0 · e -λ · t , sendo λ a constante de decaimento radioativo. A constante de decaimento radioativo (λ) refere-se ao percentual de átomos que se desintegram por unidade de tempo. A unidade do Sistema Internacional (SI) para a constante de decaimento é s -1 (segundos -1 ), mas pode também ser representada por minutos -1 , dias -1 etc. - Atividade Radioativa (A) É definida como o número de emissões radioativas por uma amostra radioativa ou a quantidade de átomos que sofrem transmutação, por unidade de tempo. Pode ser calculada das seguintes maneiras: (1) A= λ.N ou (2) A = A 0 · e –λ · t Sendo: A = atividade da amostra no tempo t A 0 = atividade da amostra no tempo 0 (t=0) λ = constante de decaimento radioativo Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 59 N = número de átomos no tempo t As unidades para a atividade radioativa são: I- Becquerel: número de desintegrações por segundo (dps). É a unidade do Sistema Internacional (SI). 1Bq = 1dps II- Curie: número de desintegrações a partir de 1 g de rádio 226 ( 226 Ra) Em 1 Ci = 3,7 x 10 10 dps ou 2,2 x 10 12 dpm (desintegrações por minuto) Frequentemente, são usados submúltiplos da unidade Ci, a saber: 1 mCi (miliCurie) = 3,7 x 10 7 dps 1µCi (microCurie) = 3,7 x 10 4 dps É importante ressaltar que, ao se utilizar a equação A = A 0 · e –λ · t , A e A 0 deverão possuir a mesma unidade, que seja compatível com as unidade do tempo e da constante de decaimento. Por exemplo, se A e A 0 são expressos em desintegrações por segundo, o tempo (t) deverá ser convertido para segundos, bem como a constante de decaimento (λ) deverá estar explicitada em segundo -1 . Meia-Vida (t ½ ) física de um Elemento Radioativo Pode ser definido como o tempo necessário para que metade dos átomos de uma amostra radioativa sofra decaimento, o que pode ser explicitado na equação: Relação entre meia-vida e constante de decaimento Na equação N= N 0 . e -γ · t , quando , tem-se: N = N 0 /2. Logo, N 0 /2 = N 0 . e -γ · t . Aplicando-se o logaritmo ln à equação, tem-se: ln N = ln (N 0 . e -λ. t½ ) ln = ln (N 0 . e -λ. t½ ) ln N 0 – ln 2 = ln N 0 + ln (e -λ. t½ ) - ln 2 = ln (e -λ. t½ ) - ln 2 = -λ. t ½ . ln e Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 60 - ln 2 = -λ. t½ . 1 ln 2 = λ. t½ λ = ou λ = - Aplicação prática do decaimento radioativo: datação com 14 C (carbono 14) Nas camadas mais altas da atmosfera, átomos de nitrogênio absorvem nêutrons provenientes dos raios cósmicos e, desse processo, resultam átomos de 14 C, um radioisótopo. Estes se combinam, então, com oxigênio, o que origina dióxido de carbono (CO 2 ), que é, por sua vez, absorvido pelos vegetais. Dessa forma, ao ingerirem vegetais, os animais incorporam 14 C ao longo da vida. Após a morte, esse processo cessa e ocorre o decaimento do radioisótopo sem que haja, no entanto, sua reposição (figura 7). Ao se saber que a meia-vida do 14 C é de 5600 anos, o estudo da proporção 14 C/ 12 C, que é fixa para seres vivos, permite a datação de fósseis, uma vez que nestes a proporção cai exponencialmente com o decorrer do tempo. 4.5- A Energia Nuclear e Suas Aplicações O fato de radioisótopos emitirem radiação torna a energia nuclear de grande utilidade para áreas como a medicina, a indústria e a agricultura. O emprego dessa energia baseia-se na propriedade de que a radiação pode ser absorvida ou simplesmente atravessar a matéria. O deslocamento de um radioisótopo por um sistema biológico pode ser monitorado por meio da radiação emitida que, ao atravessar a matéria, é captada por detectores de radiação. Nesta situação o radioisótopo age como traçador ou marcador radioativo. Um exemplo é a utilização do radioisótopo Fe 59 para estudos hematológicos, o que permite a avaliação de anemias ferroprivas, em que o isótopo é rapidamente Figura 7 - Decaimento de uma amostra de 10g de carbono-14. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 61 retirado da circulação, ou anemias em que há baixa eritropoiese, ficando o metal na circulação por várias horas. Outros empregos de marcadores são: a utilização de glicose contendo C 14 para verificação do metabolismo celular, ou CO 2 também contendo C 14 para verificar processo de fotossíntese em plantas; a datação de substratos orgânicos pela relação C 14 / C 12 ; a verificação de transmissão nervosa em neurônios e comportamento do sódio em sistemas biológicos utilizando Na 24 ; a radioimunofluorescência, dentre inúmeras outras. Na agricultura, a energia nuclear é utilizada, dentre outras formas, mediante a irradiação de produtos agrícolas com raios gama, raios X e feixes de elétrons. Esse procedimento leva à formação de íons que interrompem reações biológicas (como mudanças conformacionais em enzimas) responsáveis pelo apodrecimento dos alimentos, e destrói microorganismos, o que permite armazená-los sem que ocorra deterioração ou brotamento do alimento. Na indústria, a esterilização de materiais médicos-cirúrgicos como luvas cirúrgicas, seringas e gazes utilizando-se radiação é uma alternativa útil ao emprego de métodos convencionais que, por necessitarem de altas temperaturas, danificariam tais materiais. Na medicina, radioisótopos administrados a pacientes tendem a se concentrar em órgãos pelos quais exibem maior afinidade. A intensidade da radiação emitida nesses órgãos tem relação com a intensidade de absorção do elemento pelos órgãos, o que pode ser um parâmetro útil para a avaliação de sua função. Como exemplo, pode-se citar a utilização de doses pequenas de 131 I (iodo 131), radioisótopo absorvido, concentrado e metabolizado pela glândula tireóide. Ao detector de radiação é acoplado um sistema que permite o mapeamento da glândula e a identificação de áreas hipoativas, normoativas ou hiperativas, técnica conhecida como cintilografia. Áreas que exibem maior cintilância são consideradas normais ou hiperfuncionantes (hipertireoidismo). Em contrapartida, áreas com menor cintilância, por serem geralmente neoplásicas, possuem células muito jovens e deficientes na captação do 131 I. Doses maiores do radioisótopos podem ser utilizadas na destruição de células malignas, técnica chamada de radioterapia. Nesse caso, pode ser utilizada tanto a irradiação do tecido neoplásico, por meio de aparelhos que geram feixes radioativos (teleterapia), como a implantação de um radiocomposto no tecido alterado (braquiterapia). Obviamente, na radioterapia, devem ser avaliadas as características do Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 62 tumor a ser tratado, como maior absorção do radioisótopo, taxa de divisão celular, além de sua sensibilidade e dos tecidos vizinhos à radiação. Outro ponto a ser observado é que a braquiterapia torna o indivíduo uma fonte emissora de radiação. Tendo-se em vista a administração e a interação de radioisótopos com sistemas biológicos, há que se levar em conta que sua meia-vida em tais sistemas (meia-vida biológica) diferirá da meia-vida fora deles (meia-vida física). Por exemplo, radioisótopos que se acumulam em ossos, geralmente possuem meia-vida biológica longa. Ao se trabalhar com a meia-vida biológica, deve-se considerar a meia-vida efetiva, de acordo com a equação: = Sendo: = meia-vida efetiva = meia-vida biológica Pode-se concluir que quanto maior for a meia-vida biológica de um radioisótopo, maior será sua permanência no organismo, assim como a possibilidade de danos a este. É importante ressaltar a diferença entre irradiação e contaminação por material radioativo. A irradiação pressupõe a exposição de objetos ou corpos a uma fonte radioativa. No entanto, caso haja a presença de material radioativo na matéria, diz-se Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 63 que esta se encontra contaminada (figura 8). Radioisótopos podem contaminar a pele ou penetrar o organismo por inalação, ingestão ou por meio de lesões na pele. Indivíduos contaminados emitem radiação e podem contaminar outras pessoas e o meio ambiente. Os efeitos biológicos de contaminação incluem: efeitos agudos, que caracterizam a síndrome aguda da radiação, mostrados na tabela 1. Carcinogênese, envelhecimento precoce, cataratas, depressão do sistema imunológico, e malformações estão entre os principais efeitos tardios da radiação. Forma Dose absorvida Sintomatologia Infra-clínica Inferior a 1 Gy Ausência de sintomatologia na maioria dos indivíduos. Reações gerais leves 1-2 Gy Astenia, náuseas, vômitos (3 a 6 hs. Após a exposição; sedação em 24 hs.) Hematopoiética leve 2-4 Gy Função medular atingida: linfopenia, leucopenia trombopenia, anemia; recuperação em 6 meses. Hematopoiética grave 4-6 Gy Função medular gravemente atingida. DL50 4-4,5 Gy Morte de 50% dos indivíduos irradiados Gastro-intestinal 6-7 Gy Diarréia, vômitos, hemorragias, morte 5 ou 6 dias. Pulmonar 8-9 Gy Insuficiência respiratória aguda, coma e morte entre 14 e 36 h. Cerebral superior a 10 Gy Morte em poucas horas por colapso. Gy: Gray (unidade da dose de radiação absorvida) Alguns fatores devem ser considerados no uso de radioisótopos na medicina nuclear: Figura 8 – Contaminação à esquerda e irradiação à direita. Tabela 1 – Efeitos de uma radioexposição aguda em adulto. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 64 Um desses fatores é o efeito de massa, o qual pressupõe que reações químicas se processam em velocidades dependentes das massas dos reagentes. Por exemplo, para os isótopos H 1 , H 2 e H 3 , a velocidade das reações é maior para o isótopo menos pesado. Outros fatores a serem levados em conta são a meia-vida física e a meia-vida biológica, como já visto. Sua importância reside na determinação da quantidade de radioisótopo a ser utilizado. Finalmente, o tipo de radiação e a quantidade de energia associada é de fundamental importância; por exemplo, radiação α tem alto poder ionizante, tendo, pois, seu uso restrito. 4.6- Radiações X e Ultravioleta As radiações gama, radiações X e ultravioleta fazem parte do espectro das radiações eletromagnéticas. Enquanto as duas primeiras possuem alta energia e são ionizantes, o efeito da última é o de excitação. Os raios-X podem ter duas origens: Raios-X orbital (veja em Emissões Secundárias) e raios-X de frenagem. Estes podem ser produzidos em ampolas com vácuo. Um filamento metálico aquecido (cátodo) desprende muitos elétrons. A aplicação de uma diferença de potencial elevada entre cátodo (eletrodo negativo) e ânodo (eletrodo positivo) promove a aceleração dos elétrons em direção ao ânodo. A colisão dos elétrons contra um anteparo posicionado neste eletrodo promove a emissão de raios-X. A figura 9 ilustra o processo de formação de raios-X de frenagem. Sabe-se que quanto maior a diferença de potencial entre cátodo e ânodo, maior será a energia do raio-X. Além disso, quanto mais aquecido o cátodo mais elétrons se desprenderão, o que conferirá maior energia ao raio-X emitido. De acordo com o conteúdo energético, os raios-X podem ser classificados como duros (altamente energéticos) ou moles (pouco energéticos). O emprego de raios-X em Figura 9 – Ampola de produção de raio-X. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 65 radiografias baseia-se no fato de que diferentes estruturas orgânicas absorvem raios-X de maneiras distintas. Assim, estruturas mais densas, como ossos, podem ser atravessadas apenas por raios-X duros, enquanto raios-X moles atravessam tecidos pouco densos como músculos, vísceras e tecido adiposo. Como conseqüência desse fato, estruturas densas aparecem como uma sombra em imagens radiográficas, por absorverem mais radiação (menor transparência aos raios-X) e aparecem mais claras em chapas negativas, como esquematizado na figura 10. Ao passo que pulmões, quando repletos de ar, e músculos, por exemplo, aparecem como uma imagem escura por exibirem maior transparência aos raios-X e são as estruturas mais escuras em chapas negativas. Na formação de radioimagens, um fenômeno conhecido como efeito Compton (reveja também em Radiação Gama) pode interferir de forma negativa. Tal fenômeno ocorre naqueles casos em que a energia da radiação, como a do raio-X, é superior àquela necessária para ejetar um elétron das camadas mais externas, sendo o excesso de energia desviado na forma de um fóton de menor energia. Esse efeito é prejudicial à formação de radioimagens, visto que esse desvio de energia acaba expondo diferentes áreas dos tecidos a diferentes quantidades de energia, tornando sobrepostas as interfaces entre diferentes tecidos, além de aumentar a exposição do profissional responsável pela realização de exames como na radioscopia. A luz ultravioleta (UV), por sua vez, é produzida da seguinte maneira: ao se utilizar calor, radiação gama, radiação X ou eletricidade, elétrons podem absorver essa energia e saltar para níveis mais externos. Ao retornarem para seus níveis de origem, o excesso de energia é liberado mediante a emissão de luz UV; esta, ao ser absorvida por átomos, torna-os excitados. Substâncias expostas a UV são mais reativas, o que aumenta Figura 10 – Utilização de raios-X para realização de radiografia. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 66 de forma geral a taxa de reações bioquímicas. Além disso, podem participar de novas vias bioquímicas, fato que pode ser prejudicial ao organismo. Vale ressaltar que o sol é uma grande fonte de radiações ultravioleta (raios UVA, UVB e UVC), sendo os dois primeiros os grandes responsáveis pela alta taxa mundial de casos de câncer de pele. A radiação UV tem sido amplamente empregada em diversas situações. Por exemplo, ela é utilizada para se acelerarem diversas reações químicas em laboratórios (aceleração de reações fotossensíveis); no diagnóstico de lesões dermatológicas, por meio da lâmpada de Wood (os raios UV produzidos permitem visualizar e caracterizar lesões que não são vistas a olho nu) ; na indústria de plásticos (aceleração da reação de polimerização). A luz UV também é muito utilizada na esterilização do ar em salas de cirurgias. 4.7- Radiobiologia A radiobiologia estuda os efeitos diretos e indiretos de emissões radioativas sobre seres vivos. Os efeitos diretos decorrem do choque das emissões com biomoléculas, com consequente quebra de ligações, formação de radicais reativos e inativação de enzimas, por exemplo. Os efeitos indiretos são devidos à absorção das emissões por moléculas de água, as quais liberam radicais. Estes, por serem altamente reativos, logo interagem com biomoléculas, lesando-as e alterando sua participação no metabolismo celular. Diferentes tecidos apresentam sensibilidades distintas aos efeitos das radiações. Os fatores associados à susceptibilidade dos tecidos aos efeitos nocivos das radiações são, em ordem decrescente de importância: maior teor de água, maior quantidade de DNA, maior taxa de replicação celular e menor grau de diferenciação das células. Assim, pode-se concluir que os tecidos neoplásicos são um dos mais sensíveis aos efeitos da radiação, já que apresentam um alto grau de divisão celular e a maioria de suas células são pouco diferenciadas. 4.8- Radioproteção Tendo-se em vista a ampla utilização das radiações em diagnósticos e tratamentos médicos, alguns importantes parâmetros devem ser obedecidos, a fim de minimizar possíveis danos biológicos quando há exposição às radiações. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 67 Assim, a distância do organismo à fonte radioativa deverá ser a maior possível, ao contrário do tempo de exposição, que deverá ser o mínimo possível, já que os efeitos nocivos são cumulativos. Além disso, a blindagem (uso de barreiras absortivas entre a fonte radioativa e o organismo vivo) mostra-se de muita importância na proteção contra radiações alfa e beta; para a proteção contra radiações gama e raios X, a blindagem ocorrerá apenas se a espessura da barreira absorvente for compatível com a energia da radiação. Para completar o seu estudo: HENEINE, I. F. Biofísica Básica. São Paulo: Atheneu, 2006. GARCIA, E. A. C. Biofísica. São Paulo: Sarvier, 2002. BRASIL. Ministério da Ciência e Tecnologia. Comissão Nacional de Energia Nuclear. Apostila Educativa: Aplicações da Energia Nuclear. Rio de Janeiro. 18 p. BRASIL. Ministério da Ciência e Tecnologia. Comissão Nacional de Energia Nuclear. Apostila Educativa: Radiações Ionizantes e a Vida. Rio de Janeiro. 42 p. BRASIL. Ministério da Ciência e Tecnologia. Comissão Nacional de Energia Nuclear. Apostila Educativa: Radioatividade. Rio de Janeiro. 19 p. Alimentos irradiados. Disponível em: http://www.fcf.usp.br/Ensino/Graduacao/Disciplinas/LinkAula/MyFiles/alimentos_irrad iados.htm. Acesso em: 26 de janeiro de 2010. Figura 11 – Símbolo da presença de radiação acima dos valores encontrados no meio ambiente. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 68 Química Nuclear na Medicina. Disponível em: http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/nuclear/medicina.html. Acesso em: 26 de janeiro de 2010. KASSIS, A. I.; ADELSTEIN, S. J. Radiobiologic Principles in Radionuclide Therapy. The Journal of Nuclear Medicine,2005, 46: 4S-12S. KASSIS, A. I.; Therapeutic Radionuclides: Biophysical and Radiobiologic Principles. Semin Nucl Med. 2008 ; 38(5): 358–366. SHARMA, N.; NEUMANN, D.; Roger MACKLINS,R.; The impact of functional imaging on radiation medicine, Radiation Oncology, 2008, 3:25. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 69 Capítulo V - Exercícios Aplicados e Respostas Comentadas 1 Uma criança chega ao posto de saúde com desidratação. A mãe da criança afirma que apesar de ter dado soro caseiro, a desidratação piorou. Quando questionada sobre o modo que preparou o soro, percebeu-se que ela usou uma colher de café de açúcar para duas colheres de sal. Qual foi o erro no preparo? R: A quantidade de sal utilizada no preparo foi muito superior ao desejado, assim, a solução preparada, que deveria ser isotônica às células, estava hipertônica. Quando em contato com as células, essa solução provocou osmose (movimento de solvente/água) do meio intracelular para o meio extracelular, agravando ainda mais o estado de desidratação da criança. Contudo, vale ressaltar que o preparo caseiro de soro deve ser evitado pelos riscos de erro de concentração. Assim, deve-se procurar os postos de saúde, onde envelopes de soro são distribuídos gratuitamente. Colheres-padrão também podem ser adquiridas, para o preparo em casa. Medidas: 40 g de açúcar comum (dos quais 20 g são de glicose) + 3,5 g de sal + 1 L de água filtrada e/ou fervida. 2 Uma suspensão de antibiótico, para uso oral, tem concentração de 500 mg/10 mL. A dose para crianças é de 30 mg/10 kg de massa corpórea. a) Quantos mL devem ser administrados a uma criança de 20 kg? b) Se a dose é administrada a cada 6 horas, qual o total administrado após uma semana? R: Devem ser administradas 1,2 mL de antibiótico por dose e 1680 mg deste medicamento por semana à criança. Resolução: 30 mg de antibiótico / 10kg de massa → 60 mg antibiótico / 20 kg de massa corporal 500 mg --- 10 mL 1 dose de 6 em 6h = 4 doses/dia x 7 dias = 28 doses 60 mg --- x 28 doses de 60mg = 1680 mg x= 1,2 mL 3 O ácido fosfórico e seus derivados têm aplicação na formação de soluções tampão. As equações abaixo mostram as estruturas dos compostos correspondentes às três dissociações do ácido fosfórico, com as respectivas constantes de dissociação e valor de pK. Lembre-se que o valor de pK indica valor de pH, quando existem 50% de reagentes e 50% de produtos. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 70 a) Qual dos pares tamponantes acima (A e B, B e C ou C e D) seria o mais eficiente na manutenção do pH fisiológico (7,4)? b) Sobre o par tamponante escolhido no item anterior, qual dos compostos estaria em maior quantidade no pH fisiológico? c) Considerando que diariamente o metabolismo produz uma série de ácidos, ter esse composto em maior quantidade é vantajoso ao organismo? Justifique sua resposta. d) A composição de uma solução tampão é 0,12 mol/L de K 2 HPO 4 mais 0,08 mol/L de KH 2 PO 4 . Utilizando a equação de Henderson-Hasselbach e considerando os valores de constante de dissociação e pKa fornecidos acima, calcule o pH desta solução. R: a) O par B e C (H 2 PO 4 / HPO 4 ) constituem o tampão mais eficiente, pois, dentre os três pares, este é o tampão cujo pK a (6,8) está mais próximo do pH fisiológico (7,4). b) O componente C (HPO 4 ) estaria em maior quantidade. Veja cálculo: A/D = 10 pH-pKa → HPO 4 / H 2 PO 4 = 10 7,4-6,82 HPO 4 / H 2 PO 4 = 3,80 HPO 4 = 3,80.H 2 PO 4 HPO 4 + H 2 PO 4 = 100% 3,80.H 2 PO 4 + H 2 PO 4 = 100% 4,80.H 2 PO 4 = 100% H 2 PO 4 = 20,8% HPO 4 = 79,2% c) Sim. O componente que está em maior quantidade é o HPO 4 , que é o aceptor de prótons do tampão fosfato, ou seja, há mais justamente do composto que é o responsável pelo tamponamento dos ácidos (aceptor). pK3= 12,38 pK2= 6,82 pK1= 2,15 Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 71 pH > pKa → A > D, melhor tamponamento de ácidos (HPO 4 + H + → H 2 PO 4 ) pH < pKa → A < D, melhor tamponam. de bases (H 2 PO 4 + OH - → H 2 O + HPO 4 ) pH = 7,4 e pKa = 6,82 → HPO 4 > H 2 PO 4 d) Resposta: pH = 7,0. pH= pK + log pH= 6,82 + log pH= 7,0 4 Uma enzima chamada anidrase carbônica regula a acidez do sangue através da reação: H₂O + CO₂ H₂CO₃ HCO₃¯ + H⁺ Os alpinistas, quando sobem elevadas altitudes, podem experimentar os efeitos do chamado “mal das montanhas”. Os sintomas deste mal incluem: dores de cabeça, vômitos e dispneia, podendo evoluir para quadros mais graves, como edemas pulmonar e cerebral. A fim de evitar esses problemas, os alpinistas se previnem tomando acetazolamida, um inibidor da anidrase carbônica presente nos túbulos convolutos proximais dos néfrons. Veja esquema do seu mecanismo de ação: a) Como a alteração da respiração influencia o pH do sangue? b) Como a respiração dos alpinistas é alterada em função da altitude alcançada? c) Quais as alterações fisiológicas promovidas por esse medicamento? d) Justifique a escolha deste medicamento pelos alpinistas. R: Anidrase carbônica Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 72 a) Na frequência respiratória normal, há um equilíbrio dinâmico entre o dióxido de carbono e o bicarbonato, de modo que o pH é mantido próximo de 7,4. Quando a frequência respiratória aumenta: a eliminação de CO 2 é maior e o nível sanguíneo de ácido carbônico é reduzido, havendo menor quantidade de íons hidrogênio livres; o sangue é então alcalinizado (alcalose respiratória). Já na hipoventilação, há menor eliminação de CO 2 , deslocando a reação para direita, o que acidifica o sangue. Hipoventilação = ↑P CO2 ↑[H + ] ↓pH (H 2 O + ↑CO 2 → ↑H 2 CO 3 → ↑H + + HCO 3 - ) Hiperventilação = ↓P CO2 ↓[H + ] ↑pH (H 2 O + ↓CO 2 ← ↓H 2 CO 3 ← ↓H + + HCO 3 - ) b) Quanto maior a altitude escalada, menor é a P O2 atmosférico, o que leva à hiperventilação, como mecanismo compensatório. c) A inibição da anidrase carbônica induzirá uma acidose metabólica, por reduzir a reabsorção de bicarbonato, e aumentará a diurese (volume de urina produzido), por reduzir a reabsorção de cloreto de sódio e, consequentemente, de água. Veja o esquema do mecanismo de ação. d) Como visto no item b, o alpinista aumentará a frequência respiratória na tentativa de compensar a menor P O2 atmosférica. Contudo, a hiperventilação resultará em alcalose respiratória. Desse modo, a administração preventiva de acetazolamida se justifica pelo fato de que ela irá induzir uma acidose metabólica, compensando os efeitos da escalada que são gerados pela alcalose. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 73 5 Os medicamentos designados por A, B C e D são indicados para o tratamento de uma paciente. Adicionando-se água a cada um desses medicamentos obtiveram-se soluções que apresentam as seguintes propriedades: Solúveis no sangue A, B, C Iônicas A, B Moleculares C, D Pressão osmótica igual à do sangue A, C Pressão osmótica maior que a do sangue B, D Assinale a alternativa que só contém os medicamentos que poderiam ser injetados na corrente sanguínea, via acesso periférico, sem causar prejuízos aos tecidos. a) A, B, C e D b) A, B e D c) B, C e D d) B e D e) A e C R: Resposta letra e. O sangue é composto essencialmente por água (≈ 90%), de modo que medicamentos administrados por via intravenosa devem ser solúveis neste meio (A, B e C). Contudo, se a solução medicamentosa for hipertônica, recomenda-se a administração por via central, pois a administração por via periférica pode provocar uma irritação venosa e a desidratação dos tecidos adjacentes. Já uma solução hipotônica, reduziria a pressão osmótica do plasma, levando ao edema, pelo excesso de filtração do líquido vascular para o interstício. Assim, como a tonicidade é dada pela pressão osmótica da solução, e considerando o acesso (periférico), devem ser escolhidos os medicamentos solúveis no sangue e que têm pressão osmótica igual ao mesmo: A e C. H 2 O vaso tecido hipertônico Desidratação! H 2 O vaso tecido hipotônico Edema! Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 74 6 Uma empresa de cosméticos, na tentativa de desenvolver uma linha de hidratantes para os pés, convocou um farmacêutico com ênfase em cosméticos para o desenvolvimento do produto. Dentre as substâncias abaixo, qual deve ter sido a opção do farmacêutico para que o produto tenha a maior eficácia em seu objetivo de hidratar? Substância Coeficiente de reflexão A 1,0 B 0,4 C 0,85 R: Substância B. O coeficiente de reflexão (0 ≤ σ ≤ 1) nos indica o quão permeável (σ mais próximo de zero) ou impermeável (σ mais próximo de 1) uma substância é em relação à célula. Já o efeito hidratante é dado pela entrada de água nas células, o que é promovido quando a solução é hipotônica. Há, então, duas opções: usar um soluto impermeante em baixíssima concentração; ou usar soluto permeante, o qual levará obrigatoriamente à hipotonicidade. Assim, o melhor efeito hidratante será obtido com o da substância mais permeante, ou seja, a de menor coeficiente de reflexão. (Pressão Osmótica: π = R . T . Osm . σ) 7 O soro fisiológico é uma solução que contém 0,9% (p/v) de NaCl em água destilada, sendo isotônica em relação aos líquidos corporais. Essa solução é utilizada para reposição se íons sódio e cloreto, limpeza de ferimentos, higienização nasal, entre outros procedimentos. a) Um farmacêutico precisa preparar 400 mL de uma solução de soro fisiológico a partir de uma solução de NaCl 30% (p/v). Qual volume da solução inicial ele deve usar? b) Caso esse farmacêutico resolvesse usar NaCl sólido 100% (p/p), qual a massa que ele deveria usar para preparar 1 L de solução de soro fisiológico? R: Resolução: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 75 a) C₁V₁= C₂V₂ 30 x V₁ = 0,9 x 400 V₁ = 12mL b) 0,9 g NaCl ----- 100 mL solução x ------------- 1000 mL x = 9 g de NaCl 8 Um farmacêutico preparou uma solução de glicose 10% (p/v) que será comercializada em bolsas de 250 mL. a) Qual a massa de glicose presente na solução contida em uma bolsa? b) Quantas bolsas de 100 mL a 5% (p/v) esse farmacêutico conseguirá preparar utilizando a massa encontrada no item a? R: a) 10 g glicose ---- 100 mL solução x ------------ 250 mL x = 25 g glicose b) 5 g glicose ----- 100 mL solução 25g glicose ----- y y = 500 mL solução ou 5 bolsas de 100 mL 9 Um farmacêutico precisa preparar uma solução de glicose para uso medicamentoso por injeção intravenosa. Qual a massa de glicose necessária para preparar 1 mL de uma solução isotônica à célula sanguínea (0,3 Osm)? (MM Glicose = 180g/mol). R: Glicose: 0,3 Osm = 0,3 mol/L 1 mol glicose ------ 180g 1 mL = 0,001L 0,3 mol glicose ---- x 54g x 0,001 = 0,054 g/mL x = 54 g/L Resposta: 0,054 g Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 76 10 Um farmacêutico que realiza controle de qualidade resolveu verificar se a massa de ácido acetilsalicílico indicado no rótulo da aspirina estava correta. Após realizar uma titulação, com uma solução padronizada de NaOH, ele obteve os seguintes dados: Volume titulado 1: 5,56 mL Volume titulado 2: 5,58 mL Volume titulado 3: 5,54 mL A partir dos dados conclua: a massa da aspirina fornecida pelo rótulo está correta? R: Sim, a massa titulada equivale à indicada no rótulo. Veja resolução: V médio = (V 1 + V 2 + V₃) ÷ 3 → V médio = (5,56 + 5,58 + 5,54) ÷ 3 → V médio = 5,56 mL 0,5mol NaOH ---- 1000mL x---------- 5,54mL x = 2,78 x 10 - ³ mol Considerando-se a proporção de 1:1 da reação (NaOH + HA → H₂O + Na⁺ + A - ), o número de mols de NaOH será igual ao número de mol da aspirina. Assim... 1 mol aspirina ---- 180g 2,78 x 10 -3 mol --- y y = 0,5 g aspirina = 500 mg 11 Um paciente chega à farmácia se queixando de febre alta e apresenta uma receita prescrevendo aspirina. Ao se deparar com duas apresentações do fármaco, o paciente questiona o farmacêutico, o qual explica que uma das formas é a aspirina comum e a outra é a aspirina tamponada. Sabendo que se trata de um ácido fraco (pK a =3,5), o que se espera do tamponamento desse fármaco (aspirina + CaHCO 3 )? R: O transporte dos fármacos através da membrana é determinado por características físico-químicas das moléculas e das membranas. Fármacos lipossolúveis, não ionizados, ou na forma molecular, difundem mais efetivamente através da membrana (bicamada de fosfolipídios), que aqueles que são hidrossolúveis, ionizados, ou na forma dissociada. Para a aspirina comum, em sendo um ácido fraco de pKa = 3,5, portanto, maior que o Sol. padronizada de NaOH = 0,5 mol/L RÓTULO: M (aspirina) = 500 mg MM (aspirina)= 180g/mol Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 77 valor do pH estomacal (pH ≈ 1,0), tem-se que pH < pKa, logo, A < D, prevalecendo a forma molecular da aspirina, de modo que sua absorção é favorecida neste órgão. Contudo, para a aspirina tamponada, o agente (CaCO 3 ) leva à formação de bicarbonato (HCO 3 - ), reduzindo a acidez estomacal. Isso se traduz em aumento do pH e, por conseguinte, em maior dissociação do fármaco, reduzindo, portanto, sua absorção. Por que, então, existe aspirina tamponada? Apesar de seus efeitos analgésico, antipirético e anti-inflamatório, a absorção da aspirina causa o rompimento dos capilares presentes na mucosa do estômago, produzindo desde pequenos sangramentos, até hemorragias. Alguns fabricantes adicionam o tampão para que, ao passar pelo estômago, a aspirina esteja o mínimo possível na sua forma molecular, para que seja mínima a absorção neste local, reduzindo assim os efeitos adversos. A absorção fica, então, por conta do intestino delgado. Veja o efeito do agente tamponante sobre a acidez estomacal e sobre a absorção do fármaco: CaCO 3 ↔ Ca 2+ + CO 3 2- CO 3 2- + H + ↔ HCO 3 - ↓[H + ] ↑pH ↑A - /HA HCO 3 - + H + ↔ H 2 O + CO 2 ↓absorção ↓sangramentos 12 A produção de urina no corpo é regulada através da osmolaridade. Se há um excesso de água no plasma sanguíneo, esse excesso passa para a urina de modo a diminuir a osmolaridade da mesma (ficando menor que a do plasma). Certo medicamento é ingerido e metabolizado, liberando um sal (NaCl) na corrente sanguínea, que deverá ser parcialmente eliminado. Suponha que a concentração de NaCl no plasma após a ingestão desse medicamento seja 1,0 mol/L e que essa pessoa esteja produzindo uma urina que possui 0,1 mol de NaCl em 40 mL, devido à excreção desse sal. Nesse caso, ocorrerá transporte de água para a urina? Justifique. R: Sim. Devido à diferença de tonicidade entre a urina e o plasma (π urina > π plas ma ), a osmose ocorrerá do plasma para a urina, aumentando o volume desta. Quanto ao plasma: NaCl = 2 Osm [NaCl] plasma = 1 mol/L ou 1 M.....................2 Osm............(NaCl ↔ Na + + Cl - ) Quanto à urina: NaCl = 5 Osm 0,1 mol NaCl ---- 40 mL x = 2,5 mol/L ou 2,5 M Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 78 x----------- 1000 mL Osm = 2 x M = 5,0 Pressão Osmótica: π = R . T . Osm - do plasma: π = 2RT - da urina: π = 5RT 13 Uma mulher entrou em uma farmácia alegando ter hipotensão, e propranolol foi o medicamento prescrito pelo médico. Esse medicamento diminui a corrente de influxo de Ca²⁺ e Na⁺ para as células do nodo sino atrial (marca-passo cardíaco). O farmacêutico disse à mulher que seu médico estava errado e que, na verdade, ela deveria fazer uso de outro medicamento, que aumente a concentração intracelular de Ca²⁺. Com base nos seus conhecimentos sobre o transporte iônico, pergunta-se: qual dos dois profissionais está correto? Justifique R: Os potencias de ação das células musculares cardíacas dependem do influxo dos íons sódio e cálcio, de modo que do medicamento irá agravar o quadro de hipotensão da paciente. Assim, o farmacêutico estava correto. Esquema de um PA em célula cardíaca, evidenciando a relação entre as fases e seus respectivos fluxos: 14 Um paciente com edema (acúmulo anormal de líquido no espaço intersticial devido ao desequilíbrio entre a pressão hidrostática e osmótica) foi à farmácia e perguntou ao farmacêutico se o medicamento que lhe foi prescrito realmente seria eficiente em seu tratamento. O medicamento é um diurético que atua nos túbulos renais. Qual foi a resposta do farmacêutico quanto à eficiência do medicamento? Justifique com base na ação do medicamento. R: Sim. Devido à diferença de tonicidade entre a urina e o plasma (π urina > π plas ma ), a osmose ocorrerá do plasma para a urina, aumentando o volume desta. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 79 Quanto ao plasma: NaCl = 2 Osm [NaCl] plasma = 1 mol/L ou 1 M.....................2 Osm............(NaCl ↔ Na + + Cl - ) Quanto à urina: NaCl = 5 Osm 0,1 mol NaCl ---- 40 mL x = 2,5 mol/L ou 2,5 M x----------- 1000 mL Osm = 2 x M = 5,0 Pressão Osmótica: π = R . T . Osm - do plasma: π = 2RT - da urina: π = 5RT O medicamento prescrito age reduzindo a reabsorção de íons como o Na + , Cl - e K + , que ficam na luz tubular, aumentando a pressão osmótica. Disto resulta que a água é atraída para o túbulo renal, havendo, assim, uma eliminação de água para além do fisiológico, que reverte o quadro edematoso. 15 Em um medicamento constituído de solução para perfusão usou-se as seguintes concentrações em 1 litro de solução: 120,0 mmol de glicose 25,7 mmol de lactato de sódio 2,5 mg/mL de NaCl (MM NaCl = 58,5g/mol) a) Determine a osmolaridade do medicamento; b) Classifique o medicamento quanto à sua osmoticidade. (Hemácias = 300 mOsm) R: a) Osmolaridade = 256,8; b) hiposmótica. a) Resolução: - Glicose: 120 mmol/L = 120 mOsm - Lactato de sódio: 25,7mmol/L = 51,4mOsm (CH3CH(OH)COONa + ↔ CH3CH(OH)COO - + Na + ) - Cloreto de sódio: 2,5 mg/mL = 2500 mg/L = 2,5g/L nº mols = massa ÷ MM n = 2,5 ÷ 58,5 n = 0,0427 mol/L ou M Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 80 Osm = 2 x M Osm = 0,0854 mOsm = 85,4 Osm total: 120 + 51,4 + 85,4 =256,8 mOsm b) Hiposmótica (OSM SOLUÇÃO < OSM CÉLULA) 16 Um dos procedimentos pré-cirúrgicos é a utilização de álcool iodado para a antissepsia local. A concentração do iodo na solução, para sua ação, é de 2% v/v. Um enfermeiro observou que um frasco continha a seguinte informação: 40 mL de iodo em 1 L de solução. A concentração do iodo está de acordo com a recomendada? R: A concentração não está de acordo com a recomendada, está mais concentrada. Mas, para se obter a concentração desejada, basta apenas diluir a solução, dobrando o volume. Veja os cálculos: 2% v/v = 2 mL de iodo para cada 100 mL de solução 2 mL/100 mL = 20 mL/1000 mL = 20mL/L 40 mL/L FRASCO > 20 mL/L 17 Considere a seguinte composição de 100 mL de soro: 0,06 M de NaCl e 0,22 M de glicose. Dados: MM NaCl = 58,5 g/mol e MM glicose = 180 g/mol; Célula = 0,3 Osm. a) Determine a massa de NaCl e de glicose necessárias para o preparo da solução; b) Cite e explique qual a tonicidade da solução com relação à célula. R:: a) 0,351 g de NaCl e 3,96 g de Glicose; b) hipertônica a) Resolução: NaCl: 0,06 mol/L = 0,006 mol/100mL → 0,006 mol x 58,5 g/mol = 0,351 g Glicose: 0,22 mol/L = 0,022 mol/100mL → 0,022 mol x 180 g/mol = 3,96 g b) Resolução: Osm total = (0,06 x 2) + 0,22 = 0,34 Osm > 0,3 Osm célula. Para os solutos impermeantes (ex.: cloreto de sódio e glicose), a tonicidade equivale à osmolaridade, pois apenas os impermeantes geram efeito osmótico e, no exemplo da questão, a OSM SORO > OSM CÉLULA , logo, o soro preparado é hipertônico. Caso se substituísse a glicose por 0,22 M ureia, um permeante, a solução ainda seria Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 81 hiperosmótica (0,34 Osm), mas seria agora hipotônica, pois haveria apenas 0,12 Osm de impermeantes (NaCl), contra 0,3 Osm da célula. 18 O ácido acetilsalicílico (AAS) é um anti-inflamatório não-esteroidal, com propriedades antipirética e analgésica, bastante conhecido pela população, sobretudo pelo seu nome comercial, Aspirina. O AAS é um ácido fraco, de fórmula C 6 H 4 (OCOCH 3 )COOH, com massa molecular de 180,16 g/mol e valor de pKa = 3,4. Dito isto, pergunta-se: Em que parte do trato gastrointestinal a absorção do AAS é favorecida: no estômago ou nas primeiras porções do intestino delgado? Dados: pH estômago = 1,4.........pH intestino = 5,0. R: A absorção é favorecida no estômago. Veja resolução e comentários: Resolução I: pH = pKa + log (Aceptor/Doador) No estômago: 1,4 = 3,4 + log(A/D) -2 = log(A/D) A/D = 10 -2 A = 0,01 D No intestino: 5,0 = 3,4 + log(A/D) 1,6 = log(A/D) A/D = 10 1,6 A= 40 x D Resolução II: A/D= 10 pH-pKa No estômago: A/D = 10 -2 A= D÷100 No intestino: A/D = 10 1,6 A= 40×D A partir da equação de Henderson Hasselbach, pode-se perceber que no estômago há a prevalência da espécie protonada/doadora que é a forma molecular do medicamento. Assim, é no ambiente ácido do estômago que a absorção do AAS é favorecida. Contudo, há que se lembrar de que o esvaziamento gástrico é relativamente rápido, de modo que o medicamento permanece por muito pouco tempo neste órgão. Já no intestino (apesar de prevalecer a forma ionizada do fármaco), o tempo de permanência é consideravelmente maior e a superfície de absorção é 200 vezes maior Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 82 que a do estômago. Assim, ainda que em menor quantidade, a forma molecular tem bastante tempo e área para a sua absorção. Conclui-se, então, que o AAS é absorvido em parte pelo estômago, mas na sua maioria pelos segmentos proximais do intestino. 19 Quem já sentiu dor de garganta e teve de tomar injeção de Benzetacil® sabe a dor intensa, aguda e persistente que esse antibiótico causa. O remédio é indicado não só no tratamento de infecções do trato respiratório superior, mas também no de infecções venéreas, como a sífilis. Sabe-se que o medicamento apresenta uma solubilidade extremamente baixa, que a suspensão injetável tem alta concentração da droga, e que os níveis séricos são muito baixos, porém prolongados. Expl ique o porquê da intensa dor e por que a quantidade no sangue é tão baixa, porém contínua. R: A extrema baixa solubilidade dificulta a difusão do medicamento que acaba apresentando um espalhamento lento a partir do local de administração. Isso explica porque o medicamento não atinge altos níveis séricos, que são mantidos baixos por tempo prolongado. A alta concentração da droga e sua permanência prolongada no local da aplicação explica a dor aguda e persistente. 20 A ingestão de alguns medicamentos, como ni mesulida e naproxeno, é feita exclusivamente por via oral. Em pacientes submetidos à nutrição enteral, a administração de tais medicamentos deve ser evitada. Caso o medicamento não possa ser substituído, é responsabilidade do farmacêutico fazer as diluições necessárias, pois os medicamentos são normalmente hiperosmolares em relação às secreções gastrintestinais (0,1 a 0,4 Osm). Foi prescrita, a um paciente que recebe nutrição enteral, a administração de nimesulida, porém, o fármaco é oferecido à farmácia hospitalar com osmolaridade igual a 1,0 Osm. a) Qual a diluição que o farmacêutico deve realizar, considerando 0,3 a osmolaridade do trato gastrintestinal? b) Para se preparar 5 mL da solução de nimesulida a 0,3 Osm, qual o volume do medicamento a 1,0 Osm deve ser medido? R: a) A diluição será na proporção de 1 parte de nimesulida para 2,333 partes de água. Veja o cálculo: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 83 C 1 .V 1 = C 2 .V 2 1,0 Osm × 1 mL = 0,3 Osm × V final → V final = 3,333 mL V adicionado = V final - V incial V adicionado = 3,333 mL - 1 mL → V adicionado = 2,333 mL Para cada 1 mL nimesulida a 1,0 OSM, adiciona-se 2,333 mL água. b) Para o preparo de 5 mL a 0,3 Osm serão necessários 1,5 ml. Veja cálcul o: C 1 .V 1 = C 2 .V 2 1,0 × V 1 = 0,3 × 5 → V 1 = 1,5 mL 21. O tempo de duração de um anestésico local é determinado pelo tempo que o fármaco permanece no local de ação, em contato com as fibras nervosas, sem ser difundido para a corrente sanguínea. Com base nos parâmetros que influenciam a difusão de solutos, discuta como um laboratório farmacêutico pode aumentar o tempo de duração de um anestésico local. R: Lembrando que... Fluxo: J = -D.A. ou J = P.∆C Coeficiente de difusão: D = Coeficiente de partição = solubilidade em óleo / solubilidade em água Sabe-se que a resistência do meio (viscosidade), o tamanho das moléculas e a concentração do soluto, dentre outros, são fatores que influenciam o fluxo de difusão. Assim, é possível ao laboratório reduzir a velocidade de difusão reduzindo a permeabilidade do fármaco, o que pode ser obtido através: a) do aumento da viscosidade do produto; b) do aumento do tamanho da molécula do analgésico, por exemplo, ligando cadeias carbônicas maiores a mesma; e c) reduzindo a concentração do remédio. 22. O Captopril é um anti-hipertensivo utilizado no tratamento da hipertensão arterial crônica, leve ou moderada, e de insuficiência cardíaca congestiva. Sabe-se que ele apresenta dois valores de pKa (3,7 e 9,8) e que o uso de antiácidos reduz a absorção ∆C ∆x KT . 6πrη Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 84 desse medicamento em até 30%. O mesmo ocorre quando da presença de alimentos no estômago, momento em que 40% da absorção do Captopril fica comprometida. a) Qual o percentual de ionização do Captopril no estômago (pH = 1,2) e no intestino delgado (pH = 6,5)? b) Como a informação do percentual de ionização pode auxiliar o farmacêutico na previsão das características farmacocinéticas do medicamento no tocante à sua absorção? c) Em que região do trato gastrintestinal a absorção do Captopril é favorecida? d) Na bula do Captopril, o paciente é advertido a tomar o medicamento 1 hora antes ou duas horas depois das refeições. Explique o motivo dessa orientação e relacione sua resposta aos dados apresentados no enunciado desta questão. R: a) pH = pKa + log (Aceptor/Doador) → A/D= 10 pH-pKa No estômago: pKa = 3,7 1,2 = 3,7 + log (A/D) A/D = 10 -2,5 A= 10 -2,5 D → A= 0,00316 D A+D = 100% A= ?% 0,00316D + D = 100 A = 0,32% D = 99,68% Perc. Ionização = 0,32% pKa = 9,8 1,2 = 9,8 + log(A/D) A/D = 10 -8,6 A = 10 -8,6 D A + D = 100% A = ?% 10 -8,6 D + D = 100% A ≈ 0% D ≈ 100% Perc. de Ionização ≈ 0% No intestino: pKa = 3,7 6,5 = 3,7 + log(A/D) A/D = 10 2,8 A= 10 2,8 D A+D = 100% A= ?% Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 85 10 2,8 D + D = 100 A = 99,84% D = 0,16% Perc. Ionização = 99,84% pKa = 9,8 6,5 = 9,8 + log(A/D) A/D = 10 -3,3 A = 10 -3,3 D A + D = 100% A = ?% 10 -3,3 D + D = 100% A = 0,050% D = 99,95% Perc. Ionização = 0,05% b) O percentual de ionização é de fundamental importância na previsi bilidade da absorção de um fármaco, uma vez que o grau de ionização é inversamente proporcional à lipofilicidade, de forma que as espécies não ionizadas, por serem mais lipofílicas, conseguem atravessar as membranas biológicas por transporte passivo; já as espécies carregadas são polares e, além disso, normalmente se encontram solvatadas por moléculas de água, dificultando o processo de absorção passiva. c) A absorção é favorecida onde prevalece a forma não ionizada do fármaco, logo, no estômago. d) De modo geral, tem-se que, durante as refeições, com a chegada do alimento ao estômago, o conteúdo deste fica diluído, aumentando seu pH que, por sua vez, aumenta o percentual de ionização do fármaco. Por esse motivo é que a absorção do Captopril fica reduzida em 40% no estado alimentado. O mesmo raciocínio se aplica ao uso concomitante de antiácidos e Captopril. Os antiácidos reduzem a acidez estomacal, de modo a aumentar a dissociação do fármaco, consequentemente, reduzindo a sua absorção. 23. Um farmacêutico está formulando um creme e deseja conhecer o fluxo de absorção do creme para a pele. Ele utilizará como substância principal a ureia, um composto largamente encontrado em hidratantes da classe dos umectantes, que são substâncias hidrofílicas, que não adicionam umidade à pele, mas auxiliam na sua hidratação, mantendo sua umidade natural. Sabe-se que, em condições normais, a concentração de ureia dentro das células é nula. Considerando, então, que a permeabilidade da Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 86 membrana celular à ureia é de 2×10 -5 cm/s, numa área de 0,01mm², qual a velocidade inicial da difusão da ureia, estando esta a uma concentração de 10 mg/mL? R: A difusão iniciará com uma velocidade de J = 2,0 × 10 -8 mg/s. J = P.A.(C a - C b ) → fluxo = permeabilidade x área ([ureia] extra – [ureia] intra ) J = 2×10 -5 cm x 1×10 -4 cm 2 x (10 – 0) mg s mL J = 2,0 ×10 -8 x cm 3 x mg 1 L = 1000 cm 3 s x mL 1000 mL = 1000 cm 3 → 1 mL = 1 cm 3 J = 2,0 × 10 -8 mg/s 24. A um farmacêutico foram enviadas amostras de um soro glicosado para controle de qualidade. Sabendo que a temperatura normal do corpo é 37°C e que a pressão osmótica do sangue humano é de 7,8 atm, qual a quantidade (em gramas) de glicose o farmacêutico usará para a preparação de 100 mL de soro fisiológico isosmótico ao sangue? (MMglicose = 180,16 g/mol) R: Serão usados 5,53 g de glicose para o preparo de 100 mL do soro glicosado. Considerando a pressão osmótica teórica, temos: π = R × T × Osm 7,8 = 0,082 × (273 + 37) × Osm Osm = 0,307 Como a glicose não dissocia: Glicose a 0,307M ou 0,307 mol.L -1 Para preparo dos 100 mL do soro ....... 0,0307 mol de Glicose Massa = nº mols × Massa Molecular Massa = 0,0307 × 180,16 Massa = 5,53 g 25. O uso do ácido ascórbico (vitamina C) em cosméticos com finalidade hidratante, clareadora, antioxidante e estimuladora da síntese de colágeno vem crescendo muito nos Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 87 últimos anos. Assim, qual a quantidade de ácido ascórbico (Ka = 6,70×10 -5 ) um farmacêutico deve utilizar no preparo de 250 mL de um creme que possua o pH igual ao da pele humana? Considere que todo o ácido do creme provém do ácido ascórbico e que o pH da pele é 5,0. (MM ácido arcórbico = 176,13 g/mol) R: Deve-se utilizar 0,0656 mg do ácido ascórbico. HA ↔ H + + A - Ka = [H + ] × [A - ] pH = 5 [HA] [H + ] = 10 -5 6,70 × 10 -5 = 10 -5 × 10 -5 [HA] = 1,49 × 10 -6 mol/L [HA] Para 250 mL................................HA = 3,725 × 10 -7 mol Massa = nº mols × MM Massa = 6,56 × 10 -5 g = 0,0656 mg 26. O ácido glicólico é uma substância muito utilizada em produtos dermatológicos para melhorar a aparência e a textura da pele, no tratamento de acnes e pele ressecada, manchas, podendo até ser usada no peeling químico. Este fármaco é um alfa- hidroxiácido, encontrado naturalmente em frutas como a cana-de-açúcar e o abacaxi. Normalmente, o ácido glicólico é encontrado a 70% em solução alcoólica ou em gel, cujo pH = 0,6. (Dados: pKa = 3,83; MM ác. glicólico = 76g/mol; MM glicolato = 98g/mol) a) Para o uso dermatológico doméstico, é preciso neutralizar parcialmente o ácido para que este fique com pH entre 3,0 e 5,0. Qual a quantidade máxima de base que deve ser adicionado àquela solução comercial (ácido glicólico 70%) para que fique próprio para o uso? b) Após o procedimento do item “a”, qual a nova concentração do ácido glicólico? R: a) Como, para o uso dermatológico doméstico, o pH do ácido deve estar entre 3,0 e 5,0, o máximo de base que pode ser adicionado é de 8,627 mols, considerado o volume Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 88 de 1L do ácido glicólico a 70%; b) Após a adição de 8,627 mols de base, a concentração do ácido varia de 70% para 4,43%. a) Resolução: Ác. Glicólico ↔ H + + Glicolato - pH = pKa + log (Gli - /Ác) Inicialmente... Ác. 70% → 70 g/100 mL → 9,21 mols/L nº mols = massa / MM 0,6 = 3,83 + log (Gli - / 9,21) Ác = 9,21 mols Gli - = 5,42×10 -3 mols em 1L Gli - = 5,42×10 -4 mols Acrescentada a base... 5,0 = 3,83 + log 5,42×10 -4 + b . → 5,42 × 10 -4 + b .= 14,79 9,21 – b 9,21 – b b = 8,627 mols b) Resolução: [Ác] inicial = 70% p/v → 9,21 M 9,21 mols de Ác. Glicólico – 8,627 mols de base = 0,583 mol de Ác. Glicólico restante 0,583 mol em 1L → 44,31 g/L → 4,43% Concentração varia de 70% para 4,43% 27. O ácido glicólico pertence a um grupo de ácidos orgânicos chamados alfa-hidroxiácidos (AHA’s), que têm em comum o hidróxido na posição alfa (ou posição 2). Os AHA’s têm sido amplamente utilizados na composição de cosméticos destinados a diversos tipos de tratamento de pele. O ácido glicólico é o alfa-hidroxiácido de menor molécula, com fórmula C 2 H 4 O, e é o AHA mais usado. De acordo com os seus conhecimentos sobre difusão, dê uma possível causa para a preferência pelo ácido glicólico, dentre os outros AHA’s, para a formulação de um cosmético destinado à pele. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 89 R: Um dos fatores que favorece a difusão é o tamanho da molécula do soluto, como pode ser verificado abaixo: J = - D.A. ∆C D = K T . r = raio da molécula ∆x 6 π r η ↓r ↑D ↑J Quanto menor o seu tamanho, maior é o fluxo difusional da substância. Dessa maneira, o ácido glicólico é o preferido entre os demais AHA’s, pois é o alfa-hidroxiácido de menor tamanho molecular, sendo assim, o que mais rápido se difundirá pela pele. 28. Uso cosmético do ácido glicólico requer concentração entre 2 a 10% e para peelings de 30 a 70%. Em pH = 6,0, o ácido glicólico é um excelente agente hidratante. No entanto, à medida que o pH aumenta, diminui a capacidade hidratante. Em valores de pH mais ácidos, como, por exemplo, pH = 3,8, o ácido glicólico torna-se um agente esfoliante e despigmentante. Explique porque dessa diferença. (Obs.: Consulte os dados das questões anteriores e os resultados para a resolução desta). R: Como já calculado na questão anterior, observa-se que: pH = 0,6 → Ác 70% → 9,21 mols Ác / 0,000542 mols Glicolato pH = 5,0 → Ác 4,43% → 0,583 mols Ác / 8,63 mols Glicolato Pode-se perceber, então, que quanto menor o pH, menos o ácido glicólico se dissocia, logo, maior será sua quantidade no produto. Esta alta concentração do áci do no cosmético é que lhe confere o efeito esfoliante. Já em pH mais básicos, prevalece a forma ionizada, de modo que cai bastante a concentração do ácido. Este, em baixa concentração, é menos agressivo à pele, não chegando à esfoliação, mas (por ser uma molécula pequena e sem carga – o menor dos AHAs) o pouco ácido presente difunde para a pele hidratando-a. 29. Um farmacêutico, responsável pela produção do medicamento de nome comercial Mylanta Plus, queria determinar a quantidade do componente hidróxido de magnésio em um lote desse medicamento para confirmar se estava em conformidade com a indicada na embalagem (110 mg de Mg(OH) 2 ). Dessa forma, o farmacêutico realizou uma titulação com um ácido forte, utilizando para isso 41 mL de HCl, até atingir o ponto de equivalência. Sabendo-se que 1 mL de HCl neutraliza 2,9 mg de Mg(OH) 2 , Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 90 responda se a quantidade de hidróxido de magnésio presente nesse lote está de acordo com a indicada pelo fabricante. R: Não, a quantidade de Mg(OH) 2 é superior ao indicado na embalagem. 1 mL de HCl neutraliza 2,9 mg de Mg(OH) 2 41 mL de HCl neutraliza x → x = 118,9 mg de Mg(OH) 2 30. As formas farmacêuticas sólidas orais de liberação prolongada caracterizam-se pela liberação gradual do fármaco e manutenção da sua concentração plasmática em níveis terapêuticos, durante um período de tempo prolongado, a fim de evitar concentrações subterapêuticas ou tóxicas. Como é possível que essa liberação seja gradual e não ocorram picos de concentração a cada ingestão do fármaco? R: Empregando-se tecnologias de matrizes poliméricas tais como filmes e microesferas, promove-se a difusão gradativa. As matrizes são dispersões ou soluções de um fármaco em uma ou mais substâncias capazes de modular a sua liberação. Nas matrizes insolúveis, constituídas de ceras (matrizes hidrofóbicas) ou polímeros insolúveis em água (matrizes inertes), o fármaco é liberado essencialmente por difusão. Observa-se que na matriz insolúvel, após a ingestão, a água presente nos fluidos do trato gastrointestinal penetra na forma farmacêutica e dissolve o fármaco. Como consequências são formados canais na estrutura da matriz, através do qual o fármaco é gradualmente liberado por difusão. Os objetivos dessa tecnologia podem ser prolongar o efeito farmacológico ou liberar o fármaco em um sítio específico do trato gastrointestinal após um período definido de tempo. 31. Um indivíduo que se queixava de cefaleia, alterações visuais, náuseas e vômitos foi diagnosticado com hipertensão intracraniana. Como tratamento, foi indicado o uso de manitol 20%, 1908 mOsm/L, intravenoso. a) Para que o medicamento tenha eficácia, é recomendado que o paciente receba uma dose média de 500 mL a cada 24 horas. Um indivíduo recebe infusão IV de exatamente 84 mL por dose. Ao final do dia, quantos gramas de manitol terão sido administrados? Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 91 b) Considerando-se a osmolaridade da solução de manitol, como ele pode ajudar a reduzir a pressão intracraniana? R: 10,08 g b) Manitol = hipertônico → osmose , ↓ pressão intracraniana. Veja os cálculos e comentário abaixo: a) Resolução: Cálculo das doses diárias: 500 mL / 84 mL = 5,95 doses → 6 doses por dia. Cálculo da massa de manitol administrada: 20 g de manitol estão presentes em 0,1 L de solução X g .................................................0,504 L de solução (6 doses de 84mL) X = 10,08 g de manitol b) Comentário: O manitol, um álcool derivado da manose, é um agente hiperosmolar, já que sua osmolaridade, de 1,908 Osm/L, é bem superior à osmolaridade celular, de 0,3 Osm/L. Ao aumentar a osmolaridade sérica, o composto promove a reabsorção do líquido cefalorraquidiano, que se difunde do meio menos concentrado para o mais concentrado, contribuindo para reduzir a pressão intracraniana. Ele também é um diurético osmótico, uma vez que não é reabsorvido no túbulo renal e, portanto, induz a diurese por aumentar a osmolaridade do filtrado glomerular. 32. O Rivotril® é um ansiolítico amplamente utilizado. Recomenda-se uma dose de 0,01 mg do medicamento a cada 10 Kg do paciente por dia. A meia-vida de eliminação do fármaco é em torno de 36h. Aproximadamente 2% do medicamento são eliminados pela urina e 0,5% pelas fezes. Considerando que uma criança de 10 Kg ingeriu uma superdosagem de 0,06 mg do ansiolítico, calcule a quantidade de Rivotril® eliminada pela urina após 6 dias de ingestão, considerando a meia-vida desse fármaco. R: Será eliminado pela urina, após 6 dias de ingestão, uma quantidade de 0,000075 mg do Rivotril®. Veja: 36h _____________ 1 meia-vida 144h (6dias)_______ X → X = 4 meias-vida 1 a meia-vida: 0,06/2 = 0,03 2 a meia-vida: 0,03/2 = 0,015 3 a meia-vida: 0,015/2 = 0,0075 4 a meia-vida: 0,0075 = 0,00375 mg eliminados após 6 dias. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 92 Como 2% são eliminados pela urina, tem-se: 0,00375 mg x 0,02 = 0,000075 mg eliminados pela urina. 33. Um paciente chegou em estado muito grave ao hospital e, dentre os exames laboratoriais, foi solicitada a gasometria venosa, que mede o pH e a concentração de bicarbonato (HCO - ) no sangue. Em 5 ml de sangue o laboratorista obteve os seguintes valores: - Resultados do paciente: - Valores de referência: [H + ] = 1,07X10 -7 pH normal do sangue = 7,32 – 7,42 HCO 3 - = 0,06 mmol HCO 3 - =24 – 28mmol/L a) Qual o pH do sangue desse paciente? b) Qual a concentração em mmol/L de bicarbonato? c) Comente os resultados comparando com os valores de referência e a partir de conhecimentos prévios. R: a) pH = 6,97 b) 12 mmol.L - c) ↓HCO 3 - ↑[H + ] ↓pH fisiológico a) Resolução: pH = - log (1,07 x 10 -7 ) pH = 6,97 b) Resolução: 0,06mmol________5 mL x mmol________1000 mL x =12mmol.L⁻ c) O papel do HCO 3 - é capturar H + do meio, mas, no caso do paciente, houve um grande decaimento do bicarbonato, o que levou ao aumento da concentração de prótons H + no sangue. Assim, o pH caiu bruscamente, promovendo uma série de alterações (quadro de acidose metabólica) que repercutiram no grave estado de saúdo desse paciente. Como o valor mínimo do pH compatível com a vida nas acidoses é de 6,85, este paciente poderá ir à óbito se não for rapidamente socorrido. (Obs.: o valor máximo de pH tolerado pelo organismo, nas alcaloses, é de aproximadamente 7,95; assim, a faixa de pH compatível com a vida, em média, vai de 6,85 a 7,95). Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 93 34. Sabe-se que o leite de magnésia é facilmente comprado nas farmácias. Ele é largamente utilizado devido as suas ações laxante e antiácida. Explique como ocorrem esses processos no organismo. R: O leite de magnésia é uma suspensão de hidróxido de magnésio em água. Sua ação laxante se deve a reação com o ácido clorídrico do suco gástrico formando o MgCl 2 , que absorve muita água, lubrificando os intestinos e neutralizando a prisão de ventre. Em doses moderadas, serve também como um antiácido devido à sua propriedade alcalina, diminuindo, portanto, a acidez estomacal. 35. Do ponto de vista farmacêutico, uma formulação deve ser compatível com os princípios ativos, aditivos especiais, não ser irritante, nem se degradar. Além disso, deve apresentar estabilidade, que é a capacidade que o produto tem num determinado período de tempo, do inicio ao final de sua vida útil, e em determinada embalagem, de manter as mesmas propriedades e características que tinha no momento em que finalizou a sua fabricação, por meio de um procedimento padronizado. O Cetaconazol é um agente antifúngico, que pode ser incorporado em diferentes formas farmacêuticas, como por exemplo, xampus e cremes. Para manter a estabilidade destas formulações o pH destas tem que estar na faixa de 4-5. Durante a preparação de um xampu de cetoconazol em um laboratório de manipulação, percebeu-se que após a solubilização do fármaco, o pH da formulação estava elevado (fora da faixa de 4 a 5). O que pode ser feito para corrigir o pH de modo que não haja perda de estabilidade ou mesmo perda de produto? R: O farmacêutico pode valer-se de uma solução ácida, por exemplo, de ácido cítrico, para corrigir este valor de pH elevado. A adição do ácido cítrico aumentará a concentração de H + na formulação, abaixando pH (pH= -log[H + ]), que ficará próximo da faixa requerida para a ação e estabilidade do fármaco. 36. O creme vaginal Nistatina é usado no tratamento de infecção da pele e da mucosa vaginal causada por espécies de Candida spp. Tal fármaco age no pH = 4,0 (aproximadamente o vaginal) e, para ter certeza que este pH será mantido, utiliza-se o tampão acetato (CH 3 COOH). Para isso é usado 0,30 M de CH 3 COO - (a base conjugada) e 1,76 M de CH 3 COOH. Verifique se esse tampão é eficaz, sabendo que seu valor de pKa é de 4,76. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 94 R: Para as quantidades de ácido acético e acetato usadas, o tampão será eficaz, pois o pH exigido para a sua ação farmacológica será mantido (pH ≈ 4,0), não afetando as condições fisiológicas da vagina. Além disso, o tampão é considerado eficiente por apresentar valor de pKa próximo ao do pH em questão (pKa = 4,76 ≈ pH = 4,0). CH 3 COOH ↔ CH 3 COO - + H + pH = pKa + log [CH 3 COO - ] /[ CH 3 COOH] pH=4,76 + log 0,30/1,76 pH=3,99 37. Medicamentos que são administrados por via intravenosa devem possuir pH neutro e serem isotônicos. Durante o preparo de uma solução de Buscopan® para ser administrado via intravenosa, houve pequeno erro de concentração e a solução tornou-se levemente hipotônica, sem grande diferença do que seria a isotonicidade ideal. Esse medicamento foi administrado por via intravenosa em um paciente internado que imediatamente apresentou reação ao fármaco, sendo esta uma resposta não proveniente de alergia e sim à leve hipotonicidade da solução farmacológica. Ainda assim, o paciente se recuperou sem danos sérios. Explique porque essa reação não causou sérios danos à saúde do paciente. R: Quando soluções hipotônicas são administradas via intravenosa, há entrada de água por osmose nas hemácias, causado lise das mesmas. Entretanto, quando a solução apresenta apenas leve hipotonicidade, o volume de água que entra no interior das células não é suficiente para romper a mebrana celular, já que o equilíbrio osmótico é rapidamente atingido. O paciente apresentou reação ao Buscopan® devido à ocorrência dos efeitos osmóticos nas suas hemácias, mas como o volume de água que entrou não foi suficiente para lisar as hemácias não houve sérios danos a saúde. 38. Um paciente diabético, com distúrbios psiquiátricos, ingeriu 68 comprimidos de 500mg de cloridrato de metformina. Foi encaminhado ao pronto socorro e apresentou pH sanguíneo menor que 7,4 e lactato de 5mmol/L. (Obs.: o valor de referência do lactato no plasma é de 0,5 a 2,22 mmol/L) a) Como um farmacêutico, descreva o mecanismo de ação do medicamento. b) Qual conduta a ser realizada nesse paciente? Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 95 R: a) A metformina reduz a hiperglicemia através de: aumento da sensibilidade periférica à insulina e da utilização celular da glicose; inibição da gliconeogênese hepática; e retardo na absorção intestinal da glicose. b) A alta concentração de lactato revela que houve uma grande liberação de íons H + (ácido lático ↔ lactato + H + ), o que repercute na acidificação do plasma sanguíneo. Por esse motivo, deve-se proceder rapidamente com a infusão de bicarbonato (para elevar o pH do sangue), uma que o paciente apresenta uma concentração de lactato que é mais de 2 vezes superior a concentração máxima normal. 39. Desodorantes e talcos para os pés são amplamente produzidos pelas indústrias farmacêuticas. A bromidrose é o suor com cheiro desagradável, que ocorre nas axilas ou nos pés. A causa é a atuação de bactérias presentes nestas regiões sobre o suor, provocando o odor característico. Explique, com base nos conhecimentos biofísicos, como são formulados esses produtos. R: Esses produtos possuem em sua composição carbonatos e outras substâncias básicas, que quando utilizadas alteram o pH. Assim a alcalinização do meio dificulta a proliferação das bactérias causadoras do mau cheiro. 40. Soro fisiológico é uma solução isotônica em relação aos líquidos corporais que contém 0,9%, em massa, de NaCl em água destilada. Um farmacêutico precisa preparar 300 mL de uma solução de soro fisiológico a partir de uma solução NaCl 30% (p/v). Qual volume de partida ele deve usar? R: Deve-se usar 9 mL como volume de partida. C 1 V 1 = C 2 V 2 30% x V 1 = 0,9% x 300 mL V 1 = 9 mL 41. Para um paciente em tratamento será necessário a administração de um total de 985 mg de dipirona, em 4 dias. Ele deverá receber doses contendo 10 mL do medicamento, 2 vezes ao dia. No hospital onde está internando, há frascos com concentrações iguais a Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 96 1,2% p/v, 1 % p/v e 1,5% p/v. Qual deles o enfermeiro deve escolher para medicar esse paciente? R: O enfermeiro deve escolher o frasco de concentração 1,2% p/v, já que cada dose que o paciente irá receber deve ter aproximadamente 1,2g de dipirona. 985mg/4 = 246,25 mg/dia 0,123 g ______ 10 mL 246,25mg/2 = 123,125mg/dose x _______ 100 mL → x =1,23 g 42. Um paciente chega ao hospital com dor de cabeça, febre, dor de garganta, entre outros sintomas. Foi diagnosticada uma amigdalite bacteriana. Como forma de tratamento, o médico prescreveu o antibiótico amoxicilina, que deveria ser consumido de 8 em 8 horas, na dosagem de 500 mg, durante 5 dias. Na hora de comprar o produto, o paciente depara-se na farmácia com um frasco que possui 200 mg de princípio ativo a cada 5 mL da solução. Qual é o mínimo volume que o paciente deverá comprar para realizar todo o tratamento? R: O paciente deverá adquirir pelo menos 187,5 mL do remédio para se medicar corretamente. Veja resolução: 15 doses de 500 mg = 7,5 gramas ou 7.500mg de amoxicilina. remédio da farmácia: 200 mg para cada 5 mL do produto 200mg-----------5 ml 7.500mg--------x → x = 187,5 mL 43. Uma paciente deu entrada no pronto socorro, com quadro de desidratação, após ter dormido dentro de uma sauna. Calcule o volume e a osmolaridade dos LIC e LEC dessa paciente, antes e depois do ocorrido. Considere que a paciente pesa 60 kg e que a transpiração gerou uma perda de 3 litros de água apenas. R: Em condições normais, tem-se que 60% do peso corporal se devem à composição de água no corpo. Este percentual é o total dos 40% do peso corpóreo, equivalente à água dos líquidos intracelulares (LIC), somado aos 20% do peso do corpo que corresponde ao volume dos líquidos extracelulares (LEC = interstícios, espaços vasculares, etc.). Tanto o LIC, quanto o LEC, em condições saudáveis, apresentam concentração de 300 Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 97 miliosmóis.L - (0,3 Osm). Qualquer desequilíbrio hidroeletrolítico pode levar a alterações nas concentrações dos líquidos biológicos, bem como pode alterar a distribuição de água no corpo. No caso particular, tem-se que: Antes da desidratação: LIC(40%)= 24 L. OSM= 300mOSM 7,2 osmóis LEC(20%)= 12L. OSM= 300mOSM 3,6 osmóis Depois da desidratação: alterações na homeostase LEC – 3 L = 9 L Como a osmolaridade = n° osmóis / volume (em litros) e houve apenas perda de água, ou seja, não se perdeu eletrólitos, o n° de osmóis permanece o mesmo, havendo apenas uma redistribuição de água em decorrência do aumento da pressão osmótica no LEC. LEC = 3,6 osmóis em 9 L = 0,4 Osm Osm LEC > Osm LIC → haverá osmose com passagem de água do LIC par o LEC Depois da desidratação: atingido o novo equilíbrio Volume total = 24 L + 9 L = 33 L N° total de osmóis = 7,2 + 3,6 = 10,8 Osmolaridade do equilíbrio = 10,8 osmóis / 33 L = 0,327 Osm Volume LIC = 7,2 osmóis / 0,327 Osm = 22 L Volume LEC = 3,6 osmóis / 0,327 Osm = 11 L Resposta: Antes, os volumes eram LIC = 24 L e LEC = 12 L, ambos com 0,3 Osm. Depois, os volumes passaram a ser de LIC = 22 L e LEC = 11 L, ambos com 0,327 Osm. 44. Para se realizar a desinfecção do ambiente hospitalar, é necessário o uso de álcool 70ºGL. Quando foi realizar esse procedimento, um enfermeiro deparou-se com apenas um frasco de 750 ml de álcool a 85ºGL. a) O que ele deve fazer para poder realizar a desinfecção adequadamente? b) Qual o volume máximo de álcool 70°GL pode ser obtido? Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 98 R: O enfermeiro deverá realizar a diluição da solução inicial, adicionando-se água, até que a concentração se iguale a 70ºGL. b) A partir da solução inicial é possível preparar, no máximo, 910 mL de álcool 70°GL. C 1 V 1 = C 2 V 2 85°GL x 750 mL = 70 °GL x V 2 V 2 = 910 mL 45. Para pacientes muito alcoolizados, recomenda-se o uso de glicose. Porém, a via para a administração da mesma depende da osmolaridade da solução. Para valores de osmolaridade abaixo de 0,9 Osm, utiliza-se a via periférica, enquanto para valores acima disso se utiliza o acesso central. Foi prescrito para um paciente de 70 kg, 4 litros de solução de glicose a 10% m/v. Qual será o acesso a ser utilizado? R: Deverá se utilizada a via de acesso periférica, pois a osmolaridade da solução de glicose é menor que 0,9 Osm. Veja cálculo da osmolaridade da solução: 10g-------100 mL 1Mol de glicose------180g x¹--------1000 mL x²------------------100g x¹ = 100g x² = 0,56 mol de glicose. Glicose – não dissocia →Osm = M Solução glicose 10% m/v = 0,56 M = 0,56 Osm 46. Certo paciente procura um dentista com queixa de dor de dente. Segundo ele, a dor havia começado há poucos dias, mas, acreditando não ser nada sério, aplicou xilocaína (um anestésico local). Num primeiro momento, a dor foi aliviada, entretanto, passado algum tempo, o paciente percebeu a formação de pus no local e que o fármaco já não estava surtindo efeito. O dentista o avaliou e percebeu que se tratava de um abscesso periodontal (inflamação purulenta nos tecidos que envolvem o dente). Sabendo que o processo inflamatório reduz o pH no local inflamado (pH pus = 4,5 a 5,5), explique o porquê da ineficiência do fármaco. R: Lembrando que os anestésicos locais são bases fracas e que o pH e o pK das bases se relacionam da seguinte forma: pKb > pH → B + > BOH pKb = pH → B + = BOH pKb < pH → B + < BOH Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 99 Tem-se que, quanto mais ácido fica o meio: ( pKb > ↓pH → ↑B + > BOH), maior é a dissociação da base e, portanto, maior será a quantidade da forma ionizada, que não favorece a difusão do fármaco, alterando sua eficiência. Foi o que aconteceu com o paciente: no tecido normal, espera-se valores de pH próximos de 7,4, mas no tecido inflamado esse valor cai pra cerca de 5,0, logo, mais ácido, aumentando a proporção da forma catiônica do anestésico. 47. Em instituições de saúde e laboratórios de pesquisa, os profissionais devem sempre se preocupar com a assepsia do seu local de trabalho. Sabe-se que o álcool tem melhor ação antisséptica a 70º GL (Graus Gay-Lussac - º GL – equivale a % v/v). Para a obtenção desse álcool etílico diluído, há disponível um frasco contendo 500 mL de álcool a 98º GL. A partir dessas informações, calcule: a) A concentração em massa (g/L) do álcool a 98º GL. (MM = 46 g/mol; d = 0,8 g/mL) b) A concentração em massa do álcool a ser obtido (70º GL). c) O volume de água, em mL, necessário para a diluição do álcool. d) A porcentagem de água que foi adicionada em relação ao volume final do álcool etílico diluído. R: a) L L 100 98 % = g málcool 4 1 3 10 8 , 7 10 0 , 8 10 98 × = × × × = ÷ L g L g c / 10 8 , 7 100 10 84 , 7 2 4 × = × = b) L L 100 70 % = g málcool 4 1 3 10 6 , 5 10 0 , 8 10 70 × = × × × = ÷ L g L g c / 10 6 , 5 100 10 6 , 5 2 4 × = × = Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 100 c) mL v mL v v v c v c O H 200 500 700 700 10 6 , 5 500 10 8 , 7 2 2 2 2 2 2 2 1 1 = ÷ = = × × = × × = d) % 6 , 28 100 700 200 = × 48. Um pesquisador utiliza em suas análises de dosagem da enzima TGP (Transaminase Glutâmico-Pirúvica) uma solução de NaOH 50 % p/v com um grau de pureza de 73 % p/p, segundo o fabricante. Essa solução é adicionada à amostra a ser analisada, sendo essencial para a correta dosagem do TGP. Quando o pesquisador começou a utilizar a solução de NaOH, ele ficou intrigado com os resultados obtidos e decidiu realizar uma titulação da solução com HCl 37% p/v para verificar se o grau de pureza presente no rótulo estava realmente correto. O pesquisador diluiu 5 vezes o NaOH 50% p/v e titulou 50 mL da solução diluída. Ao final da titulação, ele gastou um volume de HCl de 5,2 mL. Considere que as impurezas presentes na solução de NaOH são inertes ao HCl. Com base nessas informações, responda: a) O pesquisador verificou alguma alteração no grau de pureza da solução de NaOH 50% p/v? Justifique sua resposta. b) Com base nas informações do enunciado e na resposta do item a, explique o motivo para que os resultados da dosagem da enzima TGP intrigassem o pesquisador. R: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 101 a) mol L g mL g 1 , 9 40 365 n NaOH 365g x g 500 NaOH g x 100g NaOH 73g / 500 1000 500 100mL 50g : p/v 50% NaOH NaOH = = = ÷ ÷ = = mol L g mL g 1 , 10 5 , 36 370 n / 370 1000 370 mL 100 37g : p/v 37% HCl HCL = = = = L mol M M V M V M / 05 , 1 2 , 5 1 , 10 50 1 1 2 2 1 1 = × = × = L m o l M / 25 , 5 5 05 , 1 = × = g m MM m n 210 40 25 , 5 = × = = pureza % 42 x g 100 puro NaOH g x impuro NaOH 500g puro NaOH 10g 2 = ÷ ÷ De acordo com os cálculos, verifica-se que o grau de pureza do NaOH (42%) é menor do que o presente no rótulo do reagente (73%). b) Os resultados intrigaram o pesquisador, porque o grau de pureza do NaOH estava abaixo do esperado. Assim, os resultados de suas análises foram diferentes do que era esperado. 1. Um laboratorista realizou um teste de glicemia no jejum de um indivíduo. Para tanto, ele analisou 0,5 mL do soro sanguíneo do paciente e encontrou 0,7 mg de glicose. Sabendo que indivíduos não-diabéticos apresentam valores para a glicemia inferiores a 99 mg/dL, responda: O paciente é diabético? Justifique sua resposta. R: dL mg dL mg dL mL / 140 005 , 0 7 , 0 005 , 0 5 , 0 = = O paciente é diabético, porque sua glicemia é superior ao valor de referência (99 mg/dL). Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 102 49. Em unidades de saúde, é freqüente o preparo de medicações para se obter a dosagem presente na prescrição médica. A partir de cada uma das situações abaixo, responda o que se pede: a) Foi prescrita 30 gotas de dipirona, VO (via oral) de 6 em 6 horas. Na unidade de saúde, há um frasco de dipirona a 50% p/v. Qual a massa de dipirona, em mg, que será administrada nas 30 gotas? Sabe-se que 20 gotas correspondem a aproximadamente 1 mL de solução. b) Foram prescritos 200 mg de fenitoína, IM (via intramuscular). Há fenitoína em ampolas a 5% p/v. Qual volume, em mL, deverá ser administrado ao paciente? c) Foi prescrita uma i njeção de heparina com dose inicial de 7500 UI (Unidade Internacional) para um paciente cardíaco adulto e, em seguida, uma infusão de 20000 UI/dia. A unidade de saúde possui um frasco de heparina na concentração de 5000 UI/ 5mL. Qual volume, em mL, deve ser administrado ao paciente no primeiro dia de tratamento? R: a) mL x x gotas mL gotas 5 , 1 30 1 20 = ÷ ÷ mg x mL x mL mg 750 5 , 1 100 000 . 50 = ÷ ÷ b) 4mL = x x → 200mg 100mL → 5000mg c) mL 27,5 = x UI 27500 mL x UI 5000 mL 5 UI 27500 20000 7500 → → = + Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 103 50. Um pesquisador necessita de 100 mL de HCl com pH=3 para seus experimentos. Em seu laboratório, há uma solução de HCl 1 mol/L. Ele decide diluir a solução existente para obter o HCl com pH=4. Com base nessas informações, responda: a) Qual será o volume, em mL, da solução de HCl 1 mol/L necessário para se obter 100 mL de HCl com pH=4? b) Quantas vezes serão necessárias diluir a solução de HCl 1 mol/L? R: a) | | mol/L 10 = ] [H H log - = 3 4 pH HCl 3 - + + = 1mL = L 10 = Vi 1 10 = V 1× 3 - -3 i × b) vezes 1.000 = 10 = 10 1 = Diluição 3 3 - 51. Uma titulação de 50 mL de ácido acético 0,1 mol/L (CH 3 COOH, ácido fraco) com NaOH 0,1 mol/L foi realizada, registrando-se os volumes de NaOH gastos em 2 momentos da titulação: 1) quando o pH da solução titulada atingiu o pKa do ácido acético e 2) no término da titulação (ponto final). Em seguida, foi feita uma outra titulação de 50 mL de ácido clorídrico 0,1 mol/L (ácido forte) com NaOH 0,1 mol/L, anotando-se os volumes de NaOH gastos da mesma forma realizada na titulação anterior (quando pH da solução titulada= pK a do ácido acético e no ponto final da titulação). Com base nessas informações e em outras sobre o assunto, responda: Dado: Ka ácido acético = 1,6 x 10 -5 a) Qual o pH das soluções iniciais (CH 3 COOH 0,1 mol/L e HCl 0,1 mol/L, respectivamente)? Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 104 b) Utilizando a tabela abaixo, escolha o melhor indicador para acompanhar cada uma das titulações realizadas, ou seja, de CH 3 COOH e de HCl com NaOH, respectivamente. Justifique sua escolha. Indicador Faixa de Viragem (pH) pH < viragem pH > viragem Vermelho de cresol 7,2 – 8,8 Amarelo Vermelho Alizarina 5,6 – 7,2 Amarelo Vermelho Fenolftaleína 8,2 – 9,8 Incolor Violeta c) Considerando que os indicadores escolhidos no item b sejam usados para acompanhar as titulações descritas no enunciado, complete o quadro abaixo com os termos MAIOR, MENOR ou IGUAL. Justifique sua resposta. Volume de NaOH registrado (V NaOH ) Situação Titulação de CH 3 COOH Titulação de HCl pH da solução titulada = pK a do CH 3 COOH V NaOH _________________________ V NaOH No ponto final da titulação V NaOH _________________________ V NaOH d) Se substituirmos o HCl por ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ), mantendo os mesmos volume e concentração iniciais (50 mL e 0,1 mol/L, respectivamente), as respostas anteriores (itens a, b e c) seriam diferentes? Justifique sua resposta. e) A partir das situações trabalhadas, diferencie: ponto de equivalência e ponto final; acidez aparente e acidez total. R: a) 1 = pH [10 -log pH : HCl -1 ] = Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 105 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] mol/L 10 × 1,26 = H 10 1,6 H 10 × 10 × 1,6 = H COOH CH × K = H : COOH CH 3 - + 6 - 1 - 5 - + i 3 a 3 × = + + [ ] 2,9 = 0,1 - 3 = pH 10 × 1,26 -log = pH -3 b) O melhor indicador para acompanhar a titulação do HCl é a Alizarina e para o CH 3 COOH, é a Fenolftaleína. Como o pH no ponto de equivalência para a titulação do HCl é 7, observa-se que a Alizarina irá determinar o ponto final com o menor erro. Para a titulação do CH 3 COOH, verifica-se que a Fenolftaleína irá determinar o ponto final com o menor erro, porque o pH de seu ponto de equivalência é maior do que 7 (pH=9,7; valor tabelado). c) Quando pH= pK a do CH 3 COOH, o V NaOH para a titulação do CH 3 COOH é MENOR do que o V NaOH para a titulação do HCl. No ponto final, o V NaOH para a titulação do CH 3 COOH é IGUAL ao V NaOH para a titulação do HCl. Quando pH= pK a do CH 3 COOH, ou seja, pH=4,8 , será gasto um maior volume de NaOH na titulação de HCl, pois a solução inicial nessa situação tem um pH inferior ao da presente na titulação de CH 3 COOH. Assim, será necessário um volume de NaOH maior para deslocar o pH de 1,0 (pH da solução de HCl 0,1 mol/L) para 4,8, do que para aumentar o pH de 2,9 (pH da solução de CH 3 COOH 0,1 mol/L) para 4,8. Ao final das duas titulações, os volumes de NaOH gastos serão iguais, já que os dois ácidos apresentam as mesmas concentrações e volumes iniciais. Dessa forma, no ponto final da titulação, os 2 ácidos terão fornecidos a mesma quantidade de íons H + e, assim, terão consumidos volumes iguais de NaOH. d) - : inicial solução pH H 2 SO 4  2H + + SO 4 2- Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 106 + + 4 2 + 4 2 H mol 2 , 0 = x H mol x → SO H mol 1 , 0 H mol 2 → SO H mol 1 [ ] 0,7 = pH 0,2 log - = pH H log - = pH + - Melhor indicador para a titulação: Como o ponto de equivalência da titulação do H 2 SO 4 e NaOH é 7,0 (titulação de ácido e base fortes), o melhor indicador será a Alizarina, pois ela irá determinar o ponto final com o menor erro. Esse indicador também foi escolhido como o mais adequado para a titulação do HCl. - pH = pK a CH 3 COOH: Como no item c, o volume gasto de NaOH para titular o CH 3 COOH seria menor do que o usado na titulação de H 2 SO 4 . Como será necessário um volume menor de NaOH para deslocar o pH de 2,9 (pH do CH 3 COOH 0,1 mol/L) a 4,8 ao se comparar com a mudança de pH necessária para o H 2 SO 4 (∆pH=4,8- 0,7=4,1), pode-se afirmar que o gasto de NaOH será menor na titulação do CH 3 COOH. - pH no ponto final: 1 H 2 SO 4 + 2 NaOH  1 Na 2 SO 4 + 2 H 2 O mL 25 = V ) V × 1 , 0 ( 2 = 50 × 1 , 0 n 2 → n 1 NaOH mol 2 → SO H mol 1 NaOH SO H 4 2 4 2 No ponto de equivalência, são gastos 25 mL NaOH. Esse volume é menor do que o gasto para a titulação do CH 3 COOH. Logo, quando há substituição do HCl para o H 2 SO 4 , o volume de NaOH consumido é diferente. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 107 e) Ponto de equivalência: é o ponto, durante uma titulação, em que não há excesso de ácido nem de base. Para uma reação em que os reagentes interagem na proporção de 1:1, o ponto de equivalência ocorre quando há uma igualdade do número de mols do ácido e da base titulados. Ponto final: ocorre quando há a “viragem” do indicador, ou seja, a mudança de cor dessa substância. Acidez aparente: é determinada por técnicas que não afetam as quantidades dos íons H + presentes na solução, por exemplo, medições com pHmetro e fita de papel indicador. Essa acidez reflete, assim, a concentração de H + presente na solução no momento da determinação do pH. Acidez total: é a soma da acidez aparente mais a acidez potencial. Ela é determinada por titulação. Assim, é possível dosar, por exemplo para um ácido fraco, as quantidades de ácidos ionizado (acidez aparente) e não ionizado (acidez potencial), presentes em um momento anterior à titulação. 52. A absorção de fármacos no organismo requer a passagem através da membrana plasmática do conjunto de células de um deter minado local. A taxa de absorção deles depende, dentre outros fatores, da polaridade da molécula administrada. Assim, pode-se afirmar, ao analisar apenas a polaridade do fármaco, que moléculas ionizadas não atravessam a membrana celular ou se difundem vagarosamente, enquanto que moléculas não-ionizadas atravessam essa barreira rapidamente. A aspirina, um dos analgésicos mais consumidos no mundo, é um ácido fraco com pK a de 3,5. Sua ação farmacológica ocorre na sua forma não ionizada. Ela é absorvida através das células da superfície do estômago e das primeiras porções do intestino delgado. O pH do suco gástrico está próximo de 1,5 e o pH das primeiras porções do intestino delgado está ao redor de 6,0. Com base nessas informações e em outras sobre esse tema, responda: A aspirina será melhor absorvida no estômago ou no intestino delgado? Justifique. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 108 R: A aspirina será melhor absorvida no intestino delgado. Como esse órgão apresenta uma grande área de superfície, proporcionada pelas microvilosidades, é nele que ocorrerá a maior parte da absorção da aspirina, em sua forma não- ionizada. No estômago, haverá uma maior quantidade de aspirina na forma não- ionizada, devido ao pH ácido desse órgão. Porém, a melhor absorção ocorrerá no intestino delgado, pelo motivo descrito anteriormente. 53. Em um indivíduo saudável, a produção diária de suco gástrico é de 2,5 L e a concentração de íons H + no estômago, liberados pelo HCl originado da secreção gástrica, é de aproximadamente 5 x 10 -3 mol x L -1 . Um determinado indivíduo, em um período entre refeições, apresentou uma concentração de íons H + de 1 x 10 -2 mol x L -1 . A partir dessas informações, determine a massa (em g) de hidróxido de alumínio - Al(OH) 3 - que deve ser ingerida pelo indivíduo em questão para neutralizar o seu excesso de acidez estomacal. R: mol/L 10 7 10 3 - 10 10 10 5 - 10 3 - 3 - 3 - -3 2 - × = × × = × = + + + excesso excesso excesso H H H O H AlCl C A mol n H 2 3 3 -3 -3 3 l 3H l(OH) 10 17,5 5 , 2 10 7 + ÷ + × = × × = + mol mol x HCl 3 - 3 - 3 3 10 83 , 5 x HCl 10 5 , 17 Al(OH) mol mols 3 Al(OH) mol 1 × = × ÷ ÷ g m m 45 , 0 78 10 83 , 5 3 = × × = ÷ 54. O tampão fosfato (H 2 PO 4 - /HPO 4 2- ) é usado em laboratório na faixa de pH entre 5,8 e 7,8 , combinando-se os sais Na 2 HPO 4 (MM = 142 g/mol) e NaH 2 PO 4 (MM = 120 g/mol). Quando se prepara um tampão com 45 mL de Na 2 HPO 4 0,2 M e 55 mL de NaH 2 PO 4 0,2 M, qual será o pH encontrado? (pKa H 2 PO 4 - = 6,8) R: mol 011 , 0 = 055 , 0 × 2 , 0 = n mol 009 , 0 = 045 , 0 × 2 , 0 = n 4 2 4 2 PO NaH HPO Na 7 , 6 = 1 0, - 8 , 6 = pH 011 , 0 009 , 0 log + 8 , 6 = pH Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 109 55. O tampão borato (H 3 BO 3 /NaH 2 BO 3 ) é utilizado como veículo de alguns fármacos presentes em colírios. Este tampão pode ser preparado misturando-se 200,0 mL de uma solução 0,15 mol x L -1 de ácido bórico (H 3 BO 3 ) com 300,0 mL de uma solução 0,3 mol x L -1 de borato de sódio (NaH 2 BO 3 ). (K a do ácido bórico = 7,3 x 10 -10 ) a) Qual o pH desse tampão ? b) Qual é a quantidade de borato (em mol) que deve ser adicionados a 200,0 mL da solução de ácido bórico (0,15 mol x L -1 ) para obter um tampão de pH 9,0? c) Determine o pH se fossem adicionados 0,01 mol de NaOH a 200,0 mL do tampão originalmente preparado. d) Qual será o volume máximo de HCl 0,1 mol/L que poderá ser adicionado ao tampão originalmente preparado de modo que sua capacidade de tamponamento seja mantida? e) Quando se adiciona 500 mL de água destilada ao tampão originalmente preparado, qual será o pH resultante? Justifique. R: a) 9,1 0,9 - 10 ] 10 [7,3 -log pK mol 09 , 0 3 , 0 3 , 0 n mol 03 , 0 15 , 0 2 , 0 10 - a 3 2 3 3 = = × = = × = = × = a BO NaH BO H pK n 6 , 9 0,5 1 , 9 03 , 0 09 , 0 log 1 , 9 = + = + = pH pH b) 03 , 0 10 03 , 0 log 0,1 - 03 , 0 log 1 , 9 0 , 9 3 2 3 2 3 2 1 , 0 BO NaH BO NaH BO NaH n n n = = + = ÷ mol 0024 , 0 79 , 0 03 , 0 3 2 3 2 = × = BO NaH BO NaH n n Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 110 c) 3 3 018 , 0 300 03 , 0 500 mol 09 , 0 3 , 0 3 , 0 n mol 03 , 0 15 , 0 2 , 0 3 2 3 3 BO H mol x x mL mol mL n BO NaH BO H = ÷ ÷ = × = = × = 3 2 054 , 0 300 09 , 0 500 BO NaH mol x x mL mol mL = ÷ ÷ 00 , 10 9 , 0 1 , 9 008 , 0 064 , 0 log 1 , 9 0,01 - ,018 0 01 , 0 054 , 0 log 1 , 9 = + = + = + + = pH pH pH d) 1 03 , 0 n - 09 , 0 log 03 , 0 n - ,09 0 log 1 , 9 1 , 8 H H ÷ = + + + = + + + + H H n n mol 079 , 0 087 , 0 1 , 1 1 , 0 003 , 0 n - 09 , 0 1 , 0 03 , 0 n - 09 , 0 H H = = + = = + + + + + + + H H H H n n n n mL 790 ou L 79 , 0 1 , 0 079 , 0 079 , 0 1 , 0 = = = HCl HCl HCl V V V e) O pH não será alterado, porque, quando se adiciona água, o número de mols do aceptor e do doador não são alterados. 56. O equilíbrio ácido-base do organismo é garantido por tampões sanguíneos, bem como pela atividade pulmonar e renal. O principal sistema de tamponamento do sangue é o tampão bicarbonato (H 2 CO 3 /HCO 3 - ), o qual é responsável por aproximadamente 75% da capacidade tamponante do plasma sanguíneo. Com base Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 111 no papel desempenhado pelo tampão bicarbonato e considerando-o como o único tampão sanguíneo, responda: a) Escreva as reações do tampão bicarbonato quando há um excesso de acidez (H + ) no sangue. b) Calcule o pH sanguíneo quando [CO 2 dissolvido] = 1,5 mmol/L e [HCO 3 -] = 30mmol/L. Considere pKa do ácido carbônico (H 2 CO 3 ) de 6,14. c) Após um exercício físico intenso, detecta-se 5 mmol/L de lactato no sangue de um atleta, formado pela ionização do ácido láctico (HAc). Esse ácido, por sua vez, foi produzido durante o metabolismo anaeróbico do indivíduo em atividade física. Com base nessas informações, calcule a variação do pH sanguíneo desse indivíduo após o exercício físico, adotando o pH determinado em b como o padrão de repouso do atleta. d) Considera-se que a faixa de pH sanguíneo tolerada por um indivíduo está compreendida entre 6,80 a 8,00. Valores de pH que ultrapassam esses limites, quando mantidos por um tempo considerável, podem levar ao óbito de uma pessoa. Com base na faixa de tamponamento do tampão bicarbonato e em outras características dele, elabore uma hipótese que justifique a importância desse tampão no controle do pH sanguíneo. R:a) HCO 3 - + H +  H 2 CO 3  CO 2 + H 2 O b) 44 , 7 3 , 1 14 , 6 5 , 1 30 log 14 , 6 = + = + = pH pH c) 725 , 6 585 , 0 14 , 6 5 , 6 25 log 14 , 6 5 5 , 1 5 - 30 log 14 , 6 = + = + = + + = pH pH pH 72 , 0 = 6,72 - 44 , 7 = pH A Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 112 d) A faixa de tamponamento do tampão bicarbonato (6,44 a 8,44) cobre a faixa de pH sanguíneo suportável para a vida (6,8 a 8,0). Assim, o tampão bicarbonato é eficiente no tamponamento do sangue. 57. O ácido benzóico, C 6 H 5 COOH, é usado como conservante em vários produtos da área alimentícia, principalmente em refrigerantes. Ele é utilizado com essa finalidade, porque inibe o crescimento de bactérias. a. Sabendo que o pKa do ácido benzóico é 4,2, você diria que este ácido é fraco? Justifique a sua resposta. b. Os sais da base conjugada (benzoato) não apresentam a mesma atividade bacteriostática da forma livre do ácido benzóico. Por isso, o ácido benzóico só pode ser usado em pH no qual a concentração do ácido livre exceda a da base conjugada. Isso ocorrerá em solução ácida ou básica? Justifique sua resposta. c. Calcule o pH em que são iguais as concentrações de ácido benzóico e de benzoato. R: a) 5 - a a 10 × 31 , 6 = K 2 , 4 = pK [ ] COOH H C ] COO H C ][ H [ = K 5 6 - 5 6 + a Como o K a do ácido benzóico é pequeno, pode-se afirmar que esse ácido ioniza pouco, porque, em um determinado meio, há uma grande quantidade de C 6 H 5 COOH e uma pequena quantidade de H + e C 6 H 5 COO - . Assim, pode-se dizer que o ácido benzóico é fraco. b) H COO H C COO H C log + 2 , 4 = pH 5 6 - 5 6 Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 113 O ácido benzóico terá uma adequada ação de conservante em pH ácido. Como a quantidade de C 6 H 5 COOH deve ser maior do que a de C 6 H 5 COO - , o pH da solução deve ser menor do que 4,2. Assim, a solução deve ser ácida. c) H COO H C COO H C log + 2 , 4 = pH 5 6 - 5 6 2 , 4 = pH 1 log + 2 , 4 = pH 58. No gráfico abaixo, explique o significado da inclinação das retas a, b e c, considerando que elas foram obtidas em células de mesma área de membrana plasmática (A). Adotando ainda que o processo de difusão ocorra apenas pela matriz lipídica da membrana, dê três causas prováveis para essas diferenças da inclinação das retas. – Fluxo de difusão de S através da membrana celular: J s – Fluxo de difusão de S através da membrana celular ∆C – Diferença de concentração de S através da membrana celular R: As diferentes inclinações das retas estão demonstrando as diferentes permeabilidades da membrana celular a uma substância nas situações a, b e c. As três causas prováveis para essas diferenças são: diferentes coeficientes de difusão, coeficientes de partição ou espessuras da membrana em cada uma das situações. 59. O processo de difusão é essencial para o transporte de nutrientes para as células, a partir da membrana plasmática. O fluxo de difusão através da membrana é Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 114 determinado por características tanto da membrana celular quanto do soluto transportado. Com base nesse assunto, responda: a) Considere 2 moléculas esféricas difusíveis pela membrana plasmática de uma determinada célula. Uma delas tem raio igual a X, a outra, tem raio igual a 4X. Qual das 2 moléculas se difundirá mais rapidamente pela membrana? b) Cite pelo menos 3 características da membrana celular que influenciam na intensidade do fluxo de difusão (J). Justifique sua resposta. R: tq r kT D 6 = (Equação de Stockes-Einstein) x C DA J A A ÷ = (1ª Lei de Fick) a) De acordo com a equação acima, quanto maior o raio, menor é o coeficiente de difusão. Além disso, de acordo com a 1ª Lei de Fick para a difusão, quanto menor o coeficiente de difusão, menor será a intensidade do fluxo de difusão. Assim, a molécula de raio 4X apresenta um coeficiente de difusão menor do que a molécula de raio X. Dessa forma, a molécula de raio X apresenta um maior fluxo de difusão ao compará-la com a de raio 4X e, assim, a molécula de raio X se difundirá mais rapidamente pela membrana celular. b) Área da superfície da membrana (A): Quanto maior a área da membrana, maior é a velocidade do fluxo de difusão. Espessura da membrana (∆x): Quanto maior a espessura da membrana, menor é a intensidade do fluxo de difusão. Viscosidade do meio ( q ): Quanto maior a viscosidade da membrana, menor o coeficiente de difusão e, assim, também será menor o fluxo de difusão. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 115 60. Com a finalidade de verificar como o organismo realiza suas tarefas respiratórias, é comum utilizar testes para medir a capacidade de difusão dos pulmões para o monóxido de carbono (CO). Esses testes permitem verificar a transferência dos gases inspirados para as hemácias sanguíneas. Um deles é o Método de Respiração Única, no qual é feita uma única inspiração de uma mistura contendo 0,3% de CO, uma retenção da respiração por 10s e, finalmente, há uma expiração. Esse procedimento permite determinar a capacidade de difusão para CO (D LCO ): Sendo: V CO = volume de CO transferido dos alvéolos para o sangue por unidade de tempo (mL/min) P ACO = pressão parcial alveolar do CO (mmHg) A capacidade de difusão é um termo que engloba o coeficiente de difusão de um gás (D); a área da superfície (A) e a espessura (∆x) da membrana. Essas variáveis estão presentes na Lei de Fick aplicada para a difusão de gases: Sendo: P 1 -P 2 = gradiente de pressão na membrana Um paciente com enfisema pulmonar (doença caracterizada por destruição progressiva das paredes capilares e alveolares) realizou o Método de Respiração Única. Ele obteve os seguintes resultados: P ACO = 0,1 mmHg; Volume inspirado de CO = 0,50 mL; Volume expirado de CO = 0,25 mL. Com base nessas informações, responda: a) Calcule a D LCO do paciente em questão. b) Sabendo que a faixa de variação normal para a D LCO é de 20 a 30 mL/min/mmHg, relacione o valor encontrado em a com as características do enfisema pulmonar. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 116 R: a) mL/min 5 , 1 = min 60 10 mL 25 , 0 = 10s mL 0,25 - 5 , 0 = V CO mmHg × mL/min 15 = 1 , 0 5 , 1 = D LCO b) O valor encontrado para a D LCO do paciente está abaixo da faixa normal de D LCO (20 a 30 mL/min x mmHg). Como ele apresenta enfisema pulmonar, pode-se relacionar essa diminuição da D LCO com a diminuição da área de superfície pulmonar (“A” da Lei de Fick). 61. Na fase pré-clínica de um estudo de medicamentos, aplica-se o fármaco em animais de laboratório para se analisar, de maneira preliminar, a atividade farmacológica e a segurança do fármaco. Vários testes são feitos para se determinar, entre outros fatores, a absorção, metabolização, distribuição e eliminação de um fármaco. Suponha que uma substância, em ensaio pré-clínico, deva difundir por uma célula-alvo de 10 -6 cm 2 de área. Considerando que o coeficiente de permeabilidade dessa substância é 8 cm/s, calcule o tempo de difusão de 1 µL de uma solução desse fármaco a 300 mol/L R: ( ) | | | | s mol J s mol J cm mol s J mol s cm J s cm J pA J / 10 4 , 2 / 10 24 / 10 3 / cm 10 8 cm 1000 300 / 10 8 ) (-300mol/L cm 10 / 8 [ ) C - (Ci 6 7 3 1 3 6 3 3 6 2 6 e ÷ ÷ ÷ ÷ ÷ ÷ × = × ÷ ÷ = × ÷ × × ÷ = ( ¸ ( ¸ | . | \ | ÷ × × ÷ = × × ÷ = ÷ = mol 10 3 x x mL 0,001 mol 300 mL 1000 4 - × = ÷ ÷ s 125 x x mol 10 3 1s mol 10 ,4 2 4 - -6 = ÷ × ÷ × Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 117 62. Considere a hemácia com C os m = 0,3 Osm, Coeficiente de reflexão (σ) da ureia = 0,5; σ (Na Cl ) = 1 e t = 25 °C, mergulhada nas seguintes soluções: I- H 2 O IV-NaCl = 0,6 Osm II- NaCl = 0,2 Osm V- Ureia = 0,6 Osm III- NaCl = 0,4 Osm VI-NaCl = 0,2 Osm + Ureia = 0,2 Osm a) Determine, em cada um dos casos, a osmoticidade e a tonicidade da solução em relação à célula. b) Qual é a pressão osmótica teórica de cada uma das soluções? c) Considerando as propriedades de transporte dos solutos diretamente pela membrana celular, discuta, para cada uma das situações do enunciado (I a VI), se a pressão osmótica teórica calculada em b será confirmada em uma situação real. R: a) Substância Osmoticidade Tonicidade I) H 2 O Hiposmótica Hipotônica II) NaCl 0,2 Osm Hiposmótica Hipotônica III) NaCl 0,4 Osm Hiperosmótica Hipertônica IV) NaCl 0,6 Osm Hiperosmótica Hipertônica V) Ureia 0,6 Osm Hiperosmótica Hipotônica VI) NaCl 0,2 Osm + Ureia 0,2 Osm Hiperosmótica Hipotônica b) i. H 2 O: osmolar C T R × × = t atm 0 0 298 082 , 0 = × × = t ii. NaCl 0,2 Osm: atm 89 , 4 2 , 0 298 082 , 0 = × × = t Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 118 iii. NaCl 0,4 Osm: atm 77 , 9 4 , 0 298 082 , 0 = × × = t iv. NaCl 0,6 Osm: atm 66 , 14 6 , 0 298 082 , 0 = × × = t v. Ureia 0,6 Osm: atm 66 , 14 6 , 0 298 082 , 0 = × × = t vi. NaCl 0,2 Osm + Ureia 0,2 Osm: atm 77 , 9 4 , 0 298 082 , 0 = × × = t c) vii. H 2 O: atm 0 0 298 082 , 0 = × × = t . A água não exerce pressão osmótica. viii. NaCl 0,2 Osm: atm 89 , 4 2 , 0 298 082 , 0 = × × = t . Essa pressão será confirmada em uma situação real, porque o fluxo osmótico previsto indiretamente pela pressão osmótica teórica não será alterado em uma situação real. ix. NaCl 0,4 Osm: atm 78 , 9 4 , 0 298 082 , 0 = × × = t . Essa pressão será confirmada em uma situação real, porque o fluxo osmótico previsto indiretamente pela pressão osmótica teórica não será alterado em uma situação real. x. NaCl 0,6 Osm: atm 67 , 14 6 , 0 298 082 , 0 = × × = t . Essa pressão será confirmada em uma situação real, porque o fluxo osmótico previsto indiretamente pela pressão osmótica teórica não será alterado em uma situação real. xi. Ureia 0,6 Osm: atm 67 , 14 6 , 0 298 082 , 0 = × × = t . Essa pressão não será observada em uma situação real, porque o fluxo osmótico previsto indiretamente pela pressão osmótica teórica será maior do que o observado em uma situação real. Assim, em uma situação real, a pressão osmótica observada será menor do que a calculada teoricamente. xii. NaCl 0,2 Osm + Ureia 0,2 Osm: atm 78 , 9 4 , 0 298 082 , 0 = × × = t . Essa pressão não será observada em uma situação real, porque o fluxo osmótico previsto indiretamente pela pressão osmótica teórica será maior do que o observado em uma situação real. Assim, em uma situação real, a pressão osmótica observada será menor do que a calculada teoricamente. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 119 63. A concentração das soluções no interior e exterior das células pode variar. O conceito de tonicidade indica que a resposta celular a modificações na concentração do meio extracelular se manifesta sob a forma de variação de volume da célula, de tal forma que essa variação é função da pressão osmótica do meio externo. Além disso, a resposta celular depende da variação da concentração extracelular e da permeabilidade da membrana aos solutos do meio externo. a) Durante uma aula prática de Biofísica sobre tonicidade, seis soluções foram apresentadas aos alunos em tubos de ensaio. Complete a tabela seguinte com as informações sobre essas soluções (considere Φ = 1 para todos os solutos). Soluções para prática de tonicidade Solução σ 1 Molaridade (mol/L) Osmolaridade (Osm) Osmoticidade π 2 Tonicidade 3 1)Água 0 hiposmótica 2) NaCl 1 0,05 hipotônica 3)NaCl 0,30 4)NaCl 0,30 5)Ureia 0 0,30 6) Mistura de 10mL de Ureia com 10mL de NaCl 0 (ureia) 1 (NaC)l 0,60M (solução inicial de ureia) -0,30M (solução inicial de NaCl) Observações: 1 σ: coeficiente de reflexão do soluto – medida indireta da permeabilidade de membranas. 2 e 3 Osmoticidade e tonicidade da solução, respectivamente, em relação à concentração intracelular usual: 0,30 Osm. b) Durante a aula prática, foram adicionadas gotas de sangue em cada solução. As soluções 1, 2 e 5 se tornaram soluções róseas transparentes enquanto as demais se tornaram róseas, porém turvas. Como você identificaria a ocorrência de Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 120 hemólise em uma solução de um experimento de laboratório em que hemácias precisam ser misturadas na solução? c) Com base na tabela preenchida no item a, formule uma regra geral para sol utos não permeantes relacionando Osmoticidade e Tonicidade. d) A hiponatremia dilucional é uma condição clínica frequente em indivíduos que trabalham no sol ou que exercem diariamente grandes esforços. Esses indivíduos apresentam taxa de sudorese elevada, perdem quantidades significativas de água, sal e ureia no suor e geralmente bebem água quando sentem sede. Que soluções, dentre as citadas na tabela do item a, você recomendaria para que uma pessoa saudável com hiponatremia dilucional ingerisse todos os dias quando sentisse sede? R: a) Soluções para prática de tonicidade Solução δ 1 Molaridade (M) Osmolaridade (Osm) Osmoticidade π 2 Tonicidade 3 1) Água 0 0 0 hiposmótica hipotônica 2) NaCl 1 0,05 0,10 hiposmótica hipotônica 3) NaCl 1 0,15 0,30 isosmótica isotônica 4) NaCl 1 0,30 0,60 hiperosmótica hipertônica 5) Ureia 0 0,30 0,30 isosmótica hipotônica 6) Mistura de 10mL de Ureia com 10mL de NaCl 0 (ureia) 1 (NaCl) -0,60 (solução inicial de ureia) -0,30 (solução inicial de NaCl) -0,45 (mistura) -0,60 (solução inicial de ureia) -0,60 (solução inicial de NaCl) -0,60 (mistura) hiperosmótica isotônica Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 121 Observações: 1) δ: coeficiente de reflexão do soluto – medida indireta da permeabilidade de membranas. 2 e 3) Osmoticidade e tonicidade da solução em relação à concentração intracelular usual: 0,30 Osm. Embora existam diversas partículas dissolvidas na água, para facilitar, podemos considerar, neste caso, que a Molaridade e a Osmolaridade da água pura sejam iguais a 0. Para o cálculo de Osmolaridade do NaCl, que é uma substância que se dissocia formando íons em solução aquosa, basta multiplicar a Molaridade pelo número de partículas originadas durante a dissociação. Como cada fórmula unitária de NaCl origina dois mols de íons, deve-se multiplicar a Molaridade por 2. Para obter a Molaridade, basta efetuar cálculo inverso: dividir a Osmolaridade por 2. A ureia não se dissocia, logo, os valores de Molaridade e Osmolaridade para a ureia serão idênticos. A Molaridade da mistura na última linha da tabela é obtida pela soma das Molaridades parciais de NaCl e de ureia na mistura. Quando misturamos volumes iguais das soluções de NaCl e ureia, a concentração de cada substância na mistura cai pela metade devido à diluição: é como se o volume de cada solução inicial dobrasse. Temos então: - Concentração de ureia: solução inicial → 0,60M; concentração na mistura → 0,30M; - Concentração de NaCl: solução inicial → 0,30M; concentração na mistura → 0,15M. A soma das Molaridades na mistura é 0,45M. A Osmolaridade da mistura pode ser calculada de forma análoga: trata-se da soma das Osmolaridades parciais dos componentes da mistura após a diluição. Temos: - Osmolaridade de ureia: solução inicial → 0,60Osm; Osmolaridade após a diluição → 0,30Osm. - Osmolaridade de NaCl: solução inicial → 0,60Osm; Osmolaridade após a diluição: 0,30Osm. Soma: 0,60Osm. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 122 A Osmoticidade (π) é determinada comparando-se as Osmolaridades das soluções em relação à do meio intracelular (0,30Osm). Se a Osmolaridade da solução for inferior à do meio intracelular, a solução é considerada hiposmótica em relação ao meio intracelular; se a Osmolaridade da solução for igual à do meio intracelular, a solução é isosmótica; se a Osmolaridade da solução for superior à do meio intracelular, a solução é classificada como hiperosmótica. Com relação à Tonicidade, uma forma simples de raciocinar é pensar no efeito da solução sobre as forças de interação entre os componentes da membrana celular. Se quando células forem colocadas em contato com a solução existir fluxo resultante de fluido para dentro da célula, aumentando seu volume, essa solução afastará os componentes da membrana. Consequentemente, a interação entre as cadeias apolares da bicamada lipídica se tornará menos intensa: a solução será classificada como hipotônica. Se a solução propiciar um fluxo resultante de fluidos para fora da célula, reduzindo o volume da célula, essa solução aproximará os componentes da membrana, tornando a interação entre eles mais intensa: a solução será classificada como hipertônica. Por fim, quando células estiverem em contato com a solução e não houver fluxo resultante entre os compartimentos intra e extracelular, a solução não alterará o volume celular. Consequentemente, não há alteração na força de interação entre os componentes da bicamada lipídica: a solução será considerada isotônica. b) As soluções 1, 2 e 5 provocam hemólise por serem hipotônicas. Portanto, a identificação de ocorrência de hemólise pode ser feita através da análise da solução: se ela se tornar rósea transparente, provavelmente, ocorreu hemólise. c) Para solutos não permeantes, Osmoticidade = Tonicidade; ou seja, se a solução do soluto não permeante é isosmótica, ela será também isotônica em relação a células; se a solução do soluto não permeante é hiposmótica, ela será também isotônica em relação a células; se a solução do soluto não permeante for hiperosmótica, ela será também hipertônica em relação a células. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 123 d) Como a ureia é um produto de excreção do organismo, sua reposição não procede. A ingestão apenas de água não repõe sal e dá origem à condição clínica citada. O ideal é a ingestão de solução isotônica de NaCl que repõe tanto sal quanto água. A solução hipotônica de NaCl também pode ser utilizada, já que repõe sal em alguma proporção. A solução hipertônica de NaCl não deve ser utilizada diariamente, pois representa aumento de carga ingerida de NaCl, determina reabsorção renal de água e aumento de volume extracelular o que pode culminar em hipertensão arterial. 64. Um método para reidratação de atletas é a ingestão de soluções hipotônicas contendo, por exemplo, NaCl. Um atleta de 80,0Kg ingeriu 1,00 L de uma solução a 0,100M de NaCl. Qual será o volume e a osmolaridade no meio intracelular e extracelular quando os líquidos corpóreos tiverem atingido equilíbrio após a ingestão da solução? Desconsidere a desidratação leve decorrente da prática esportiva. Considere Φ = 1 para o NaCl. R: Os líquidos corpóreos se dividem em dois compartimentos principais: o intracelular e o extracelular. Os volumes intra e extracelular serão tratados neste texto como VIC e VEC, respectivamente. VIC → 2/3 do volume de líquido do organismo que é dado por 60% do peso corporal, logo, VIC = 40% do peso. VEC → 1/3 do volume de líquido do organismo que é dado por 60% do peso corporal, logo, VEC = 20% do peso. Em um homem de 80,0 kg, VIC é 32,0 L e VEC, 16,0 L. Ao se ingerir 1,00 L de uma solução 0,100 M de NaCl, altera-se o volume e a osmolaridade do líquido extracelular de tal forma que ocorrerá movimento de água através das membranas celulares do meio hiposmolar para o meio hiperosmolar. O movimento de soluto não ocorre, porque o NaCl não é capaz de atravessar as membranas celulares. O primeiro passo para a resolução deste exercício é, portanto, o cálculo do novo volume e da nova osmolaridade do meio extracelular. O novo volume é: 16,0 + 1,00 = 17,0 L. A nova osmolaridade pode ser obtida através da fórmula “volume x osmolaridade = n o de partículas”, como se segue: 1,00 L x 0,100 osm / L = 0,100 osm → partículas que vieram da solução ingerida. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 124 16,0 L x 0,300 osm / L = 4,80 osm → partículas que já estavam no meio extracelular. 0,100 + 4,80 = 4,90 osm → total de partículas no meio extracelular após a ingestão. A osmolaridade do meio extracelular é portanto: 4,90 osm / 17,0 L = 0,288 Osm. A ingestão da solução em questão fez com que o meio extracelular ficasse ligeiramente hipotônico (0,288 Osm) em relação ao meio intracelular que, inicialmente, permanece com concentração de 0,300 Osm. Logo, o fluxo de água ocorrerá do meio extracelular para o intracelular. X L de água sairá do meio extracelular e irá para o meio intracelular. Organizando o raciocínio: Para o líquido extracelular, temos: V 1 = 17,0 L; V 2 = (17,0 - X) L; C 1 = 0,288 Osm; C 2 = ? Osm. Para o líquido intracelular, temos: V 1 = 32,0 L; V 2 = (32,0 + X) L; C 1 = 0,300 Osm; C 2 = ? Osm. Aplicando a fórmula “C 1 x V 1 = C 2 x V 2 ” para os meios intra e extracelular, temos as seguintes equações: Meio intracelular: 0,300 x 32,0 = C 2 x (32,0 + X) Meio extracelular: 0,288 x 17,0 = C 2 x (17,0 - X) Como, no equilíbrio, as concentrações finais serão as mesmas tanto para o meio intracelular quanto para o meio extracelular, C 2 é a mesma incógnita nas duas equações. Por isso, podemos utilizar o método de substituição para resolver o sistema de equações acima: Meio intracelular: 0,300 x 32,0 = C 2 x (32,0 + X) → C 2 = 0,300 x 32,0 / (32,0 + X) Substituindo: Meio extracelular: 0,288 x 17,0 = [0,300 x 32,0 / (32,0 + X)] x (17,0 - X) 4,90 = [9,60 / (32,0 + X)] x (17,0 – X) 156,8 + 4,90X = 163,2 – 9,60X Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 125 14,5X = 6,40 X = 0,441 Resolvendo a equação, temos que X = 0,441 L. Portanto, já sabemos que os volumes finais intra e extracelular são 32,441 L e 16,559 L, respectivamente. Para descobrir o valor de C 2 , isto é, da concentração final nos meios intra e extracelular, basta substituir o valor encontrado para VIC na equação referente ao meio intracelular ou o encontrado para VEC na equação correspondente ao meio extracelular. Fazendo isso, encontra-se uma concentração final de equilíbrio de 0,296 Osm que é ligeiramente menor que a osmolaridade inicial dos compartimentos biológicos (0,300 Osm). O resultado encontrado é coerente já que o indivíduo ingeriu uma solução cuja concentração em partículas era menor (0,100 Osm) que a concentração dos líquidos corpóreos (0,300 Osm). 65. Em crianças com diarréia, pode ocorrer uma severa desidratação. Em 24 h, essas crianças podem perder água na proporção de 100 mL/Kg de peso corporal e 90 mmol de Na + /L de água perdida (os íons K + e Cl - são também perdidos nessa proporção). Nessa situação, a OMS (Organização Mundial da Saúde) recomenda a ingestão da solução de Sais para Reidratação Oral (SRO). Nas primeiras 4h, é recomendável que uma criança de 20 Kg ingira 1.500 mL dessa solução. A composição da solução de SRO é a seguinte: Substância Massa molar (g/mol) Concentração (g/L) Cloreto de sódio 58,4 2,6 Cloreto de potássio 74,5 1,5 Citrato trisódico diidratado 294,1 2,9 Glicose 180,2 13,5 Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 126 a) Calcule a osmolaridade da SRO. O número de partículas do Citrato trisódico diidratado é 4. Considere Φ = 1 para todas as substâncias da SRO. b) Com base na osmolaridade calculada em a, explique como a SRO pode reidratar e repor os sais perdidos por uma criança desidratada. c) Uma criança de 20 Kg está com diarréia e uma severa desidratação. Durante 24h, ela perdeu água, Na + e Cl - nas proporções descritas no enunciado desta questão. Após esse período, a criança recebeu 1500 mL da solução de SRO. Com base nessas informações e considerando que a água e os íons foram perdidos apenas do meio extracelular, calcule a osmolaridade final e os volumes extracelular e intracelular finais. Considere o organismo divido em dois compartimentos: extracelular e intracelular; [Na + ] meio extracelular = 140 mmol/L; [Cl - ] meio extracelular = 100 mmol/L; uma criança saudável possui um volume total de água igual a 60% de seu peso corporal. 66. Na fase inicial de uma queimadura de grandes proporções em um indivíduo, é comum observar a formação de edemas e um quadro de hiponatremia sérica (diminuição da concentração de Na + no soro sanguíneo). Para reverter esses sintomas, injeta-se normalmente na veia do paciente uma solução de NaCl a 3,5% p/v. Com base nessas informações, responda: a) Calcule a osmolaridade da solução de NaCl a 3,5% p/v (considere Φ = 1). b) Com base na osmolaridade calculada no item a e nos conhecimentos sobre tonicidade, explique como a solução de NaCl pode reverter os sintomas apresentados pelo paciente. R: a) NaCl: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 127 mol 04 , 0 4 , 58 6 , 2 n = = Osm 0,08 2 0,04 OSM mol/L 04 , 0 M = × = = KCl: mol 02 , 0 5 , 74 5 , 1 n = = Osm 0,04 2 0,02 OSM mol/L 02 , 0 M = × = = Citrato trisódico: mol 0099 , 0 1 , 294 9 , 2 = = n Osm 0,04 4 0,0099 OSM mol/L 0099 , 0 = × = = M Glicose: mol 0749 , 0 2 , 180 5 , 13 = = n Osm 0,07 1 0,0749 OSM mol/L 0749 , 0 = × = = M Osmolaridade da SRO: 0,08+0,04+0,04+0,07=0,23 Osm b) Como a SRO é hipotônica em relação às células de uma criança desidratada, a água irá fluir do meio extracelular para o intracelular, reidratando o indivíduo. Quanto à reposição dos sais perdidos, eles irão se difundir do meio extracelular para o intracelular. Assim, os sais perdidos pela criança serão também repostos. c) mmol 180 Na Cl mmol 180 2 90 : Na L 2 mL 2000 100 20 : O H perdido perdido perdido perdida 2 = = = × = = × + ÷ + L 4 20 2 , 0 O H L 8 20 4 , 0 O H L 12 20 6 , 0 O H extra 2 ra int 2 total 2 = × = = × = = × = Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 128 mOsm 2400 300 8 Osm mOsm 840 2(180) - 1200 Osm mOsm 1200 300 4 Osm início intra perda extra início extra = × = = = = × = ( ) mOsm 180 Cl Osm 0,18 5 , 1 04 , 0 08 , 0 Cl mOsm 300 Na Osm 0,30 1,5 3(0,04)] [0,08 Na L 5 , 1 : SRO Ingestão - - = = × + = = = × + = + + mOsm/L 5 , 323 11,5 3720 de Osmolarida L 5 , 11 5 , 1 2 12 V mOsm 3720 2400 1320 Osm mOsm 2400 Osm mOsm 1320 180 300 840 Osm final total total final intra final extra = = = + ÷ = = + = = = + + = L 4,1 V V mOsm 1320 1L mOsm 5 , 323 final extra final extra = ÷ ÷ L 4 , 7 V V mOsm 2400 1L mOsm 5 , 323 final intra final intra = ÷ ÷ 67. Uma doença inflamatória grave foi detectada em um indivíduo, sendo recomendado o uso da nutrição parenteral para o seu quadro. Nesse tipo de nutrição, uma solução nutriente é infundida por via intravenosa em um acesso periférico (pequena veia, geralmente no braço) ou central (grande veia com alto fluxo sangüíneo). Um dos critérios para definir o acesso a ser utilizado é a osmolaridade da solução parenteral. Para soluções com osmolaridade inferior a 900 mOsm/L, utiliza-se o acesso periférico. Para uma osmolaridade superior a esse valor, deve-se necessariamente empregar o acesso central. O indivíduo em questão deve receber uma infusão de 2400 mL, durante 24h, a uma taxa de 100 mL/h, com a seguinte composição: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 129 Componentes Massa (g) Massa Molar (g/mol) Glicose 400 180 Aminoácido 100 100 (valor médio) NaCl 4,7 58,5 NaCH 3 COO 6,6 82 KCl 3,0 74,5 K 2 PO 4 5,2 173 MgSO 4 0,6 120 Com base nessas informações e em outras sobre esse tema, responda: a) Calcule a osmolaridade da solução parenteral. (Número de partí culas do Aminoácido = 1; considere Φ = 1 para todos os componentes da solução). b) Com base na osmolaridade calculada em a, responda: Qual acesso de nutrição parenteral deve ser utilizado para infundir a solução descrita? Justifique. c) Caso fosse empregado o acesso inadequado para infundir a solução descrita, qual seria um possível sintoma que o paciente apresentará? Justifique. d) Com base na velocidade de infusão da nutrição parenteral (100 mL/h), descreva as implicações na distribuição de líquidos no organismo do indivíduo. e) Caso a velocidade de infusão fosse 10 vezes maior (1000 mL/h), quais seriam as implicações na distribuição de líquidos no organismo do indivíduo? f) Se a velocidade de infusão fosse 10 vezes menor (10 mL/h), haveria alguma alteração no processo de nutrição em relação à infusão a 100 mL/h? Justifique. R: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 130 mol 60 , 0 4 , 58 35 n mol / g 4 , 58 MM L / g 35 mL 1000 g 35 mL 100 3,5g 3,5% NaCl NaCl = = = = = = Osm/L 1,2 2 0,6 OSM x M OSM mol/L 60 , 0 M = × = × = = b) Como o NaCl 3,5% é hipertônico aos tecidos do organismo (1,2 Osm/L), ele irá provocar um fluxo de água para fora do compartimento intersticial do tecido, revertendo, assim, os edemas corporais. O quadro de hiponatremia sérica também será revertido, porque o NaCl 3,5% está sendo injetado diretamente na corrente sanguínea, fornecendo Na + para o plasma sanguíneo. 68. . a) Glicose: g/L 67 , 166 x L 1 g x L 4 , 2 g 400 = ÷ ÷ mol/L 93 , 0 180 67 , 166 n = = mOsm/L 930 ou 93 , 0 OSM 1 93 , 0 OSM = × = Para os outros componentes da solução parenteral, utiliza-se o mesmo raciocínio. Assim, obtêm-se: Componente Molaridade (mmol/L) Osmolaridade (mOsm/L) Aminoácidos 417 417 NaCl 33,5 67 NaCH 3 COO 33,5 67 KCl 16,8 33,6 MgSO 4 2,1 4,2 Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 131 Osmolaridade total = 930 + 417 + 2(67) + 33,6 + 4,2 = 1518,8 mOsm/L b) O acesso central. Como a osmolaridade da solução parenteral é superior a 900 mOsm/L, deve-se necessariamente utilizar o acesso central. c) Caso se empregasse a solução parenteral no acesso periférico, poderia surgir um quadro de flebite no paciente. A flebite é um processo inflamatório do vaso sanguíneo que, no caso em estudo, seria causada pela grande perda de água na veia periférica. d) Como a velocidade de infusão é baixa, não ocorrerá uma perda excessiva de água na via de acesso central. Assim, o corpo consegue equilibrar a grande osmolaridade presente na solução, sem prejudicar nenhum tecido do organismo. e) Nessa situação, provavelmente, o paciente teria uma flebite na via de acesso utilizada. Assim, ocorreria uma grande perda de líquidos pelo vaso sangüíneo. Além disso, seriam esperados efeitos sistêmicos, como a formação de edemas em algumas áreas corporais. Sobrecarga de alguns órgãos, em especial os rins. f) Não haveria uma nutrição adequada do indivíduo. Como a quantidade presente dos nutrientes na infusão é pequena, não ocorrerá um suprimento adequado para o paciente em tempo adequado. 69. - As células do organismo estão em equilíbrio dinâmico com o meio extracelular. Isso significa dizer que, continuamente, existe fluxo de substâncias através das membranas celulares. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 132 a) O que é uma membrana semipermeável? E o que significa o termo permeabilidade seletiva? b) Conceitue osmose e difusão. c) Defina os limites numéricos (valor mínimo e valor máximo possíveis) do índice ou coeficiente de reflexão e comente os valores definidos. d) O que é um soluto osmoticamente ativo? R: a) Membrana semipermeável: permite passagem apenas de moléculas de água. Permeabilidade seletiva: permeabilidade a substâncias específicas, além da água. b) Osmose é o fluxo de água, através de uma membrana semipermeável, de um compartimento onde a concentração do soluto é menor para um onde a concentração de soluto é maior. Mais simplificadamente: o fluxo de solvente do meio menos concentrado em partículas para o meio mais concentrado em partículas. Difusão é o processo onde os átomos ou moléculas se misturam devido ao seu movimento térmico ao acaso (browniano). Mais simplificadamente: o fluxo de soluto do meio mais concentrado em partículas para o menos concentrado em partículas. c) Os limites do coeficiente de reflexão são 0 e 1 ou 0% e 100%. O índice de reflexão de 0 ou 0% indica que a substância não é refletida pela membrana celular, ou seja, a membrana é total mente permeável à substância. Em contrapartida, o índice de reflexão de 1 ou 100% indica que a substância é totalmente refletida pela membrana: a membrana é impermeável à substância. d) Solutos osmoticamente ativos são aqueles incapazes de atravessar uma membrana semipermeável. Presos em compartimentos separados por essas membranas, exercem pressão forçando a passagem de água para onde estão em maior concentração. 70. Uma substância cujas concentrações intracelular e extracelular são iguais está em equilíbrio? Justifique detalhadamente sua resposta com base nas forças que podem agir sobre partículas carregadas ou não carregadas localizadas no líquido extracelular (LEC) e líquido intracelular (LIC). R: Não necessariamente. Uma partícula carregada sofre ação de duas forças: elétrica e de concentração. Desta forma, não basta não haver força de concentração (as duas Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 133 concentrações – interna e externa – serem as mesmas) para que haja equilíbrio; antes disso, é necessário que não haja também forças elétricas. Partículas não carregadas estariam, sim, em equilíbrio na situação descrita (igualdade de concentrações interna e externa), uma vez que elas não estão submetidas a forças elétricas. 71. . As proteínas são macromoléculas constituídas por inúmeros resíduos de aminoácidos ligados por meio de ligações covalentes. Desta forma, elas constituem substâncias muito grandes para atravessarem membranas celulares; seu transporte pela membrana é feito por endocitose ou exocitose. Além disso, como os monômeros (aminoácidos) desses polímeros são unidos por ligações covalentes, as proteínas não dissociam em partículas menores, a menos que sofra ação enzimática. Dispondo dessas informações, responda: a) As proteínas são substâncias osmoticamente ativas? Justifique com base nas informações do enunciado e em seus conhecimentos sobre o assunto. b) A permeabilidade dos poros capilares às proteínas plasmáticas é, em geral, muito baixa. Desta forma, as proteínas ficam confinadas no espaço vascular e exercem a pressão oncótica sobre o compartimento de líquido intersticial. A pressão oncótica é especialmente importante na extremidade venosa dos capilares, promovendo a volta, para o leito vascular, do líquido que saiu do vaso na extremidade arterial. O que é a pressão oncótica? Com base nas informações fornecidas, qual seria a principal conseqüência de um quadro de hipoproteinemia em um indivíduo? R: . a) Sim. Como as proteínas possuem grandes dimensões, as membranas biológicas são impermeáveis a elas. Presas em um compartimento delimitado por membrana semipermeável e estando em maior concentração nesse compartimento que nos outros em contato com ele, as proteínas são capazes de exercer pressão osmótica sobre os outros compartimentos e determinar o fluxo de água para o compartimento onde estão em maior concentração. b) Pressão oncótica é a pressão osmótica exercida por proteínas plasmáticas sobre o compartimento extravascular. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 134 Formação de edema por redução de pressão oncótica e não retorno de líquido plasmático para o leito vascular na extremidade venosa do capilar. Com isso, líquido plasmático se acumula no interstício. 72. 4. A célula não é um compartimento isolado: sua sobrevivência e funcionamento dependem da entrada e saída de muitas substâncias, entre as quais, nutrientes e metabólitos. Sabendo que nem toda substância pode atravessar a camada apolar representada pela membrana plasmática, responda: a) Quais os tipos de transportadores existentes? b) Caracterize os transportadores mencionados no item anterior e o mecanismo de transporte de cada um deles. c) Diferencie transporte ativo de transporte passivo. d) Cite e caracterize os dois tipos de transporte ativo existentes. R: a) Transportadores do tipo canal e do tipo carreador. b) - Proteínas transportadoras do tipo canal atravessam a membrana lipídica e formam poros hidrofílicos na membrana que possibilitam a passagem de substâncias pouco lipossolúveis. Esses poros são, em geral, revestidos por resíduos de aminoácidos com carga elétrica e a carga predominante no poro está relacionada à seletividade do canal a cátions ou a ânions. Esses poros também possuem uma região de maior constrição ou estreitamento que está relacionada à seleção do tamanho da substância a ser transportada. - Proteínas transportadoras do tipo carreador interagem com a substância a ser transportada e, mudando de conformação, translocam essa substância de um lado para outro da membrana. Essa é a etapa mais lenta do transporte. Em seguida, a interação se desfaz e a substância é liberada no local de destino. c) O transporte ativo (TA) ocorre com gasto de energia contra gradientes de potencial eletroquímico e o passivo, sem gasto de energia e a favor dos gradientes de potencial eletroquímico. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 135 d) O transporte ativo é dividido em primário e secundário. TA primário é caracterizado por obter energia de uma reação química (de hidrólise de ATP ou de oxirredução). TA secundário se caracteriza pela utilização do gradiente de potencial eletroquímico de um íon para o transporte de uma substância qualquer. 73. O transporte através das membranas biológicas pode ou não depender de proteínas transmembrana que facilitam a travessia de substâncias através da camada apolar. A facilidade com que uma molécula atravessa a bicamada lipídica depende de muitos fatores, entre eles, da lipossolubilidade da molécula. Moléculas lipossolúveis atravessam membranas independentemente de proteínas transportadoras, ao passo que as hidrossolúveis necessitam dessas proteínas. a) Quais são as características que permitem às substâncias atravessarem facilmente membranas lipídicas? Considere apenas o trânsito através da bicamada lipídica e desconsidere outras formas de passagem pela membrana como endocitose e exocitose. b) Observe o gráfico e as fórmulas estruturais representadas abaixo: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 136 O gráfico acima representa a dinâmica do fluxo de difusão do oxigênio molecular (O 2 ) e da glicose (C 6 H 12 O 6 ) através de membranas celulares em função da diferença de concentração dessas substâncias nos compartimentos intracelular e extracelular. Observando as fórmulas estruturais das duas substâncias e as curvas representativas da difusão de cada uma delas através da membrana, o que se pode concluir sobre o transporte dependente e independente de proteínas transportadoras específicas? c) Em situações normais, a glicose sanguínea é filtrada nos glomérulos renais e é totalmente reabsorvida no túbulo contorcido proximal dos néfrons, não estando presente na urina. No diabetes melitus tipo 1 ou 2 a concentração de glicose no sangue se eleva. Proporcionalmente a essa elevação, mais glicose é filtrada nos glomérulos. Considere os seguintes dados: - A reabsorção de glicose na membrana apical das células tubulares proximais dos néfrons é ativa e o subsequente transporte de glicose através da membrana basolateral para o interstício é passivo por difusão. - O transporte ativo da glicose é efetuado por uma proteína que transporta Na + e glicose, simultaneamente, do lúmen do túbulo proximal para o interior da célula que o reveste, utilizando, para isso, o gradiente eletroquímico do íon Na + . - Quando o índice de reflexão (σ) da glicose é 1, ela se comporta como uma substância osmoticamente ativa. c.1) Considerando as características do transporte dependente de proteínas transportadoras específicas (características analisadas no item anterior) e sabendo que no diabetes melitus o volume urinário aumenta, o que acontece com o transporte de glicose nos néfrons em indivíduos com essa doença? Justifique. c.2) Classifique o transporte realizado pela proteína da membrana apical das células proximais do néfron quanto ao sentido do transporte de substâncias e quanto ao gasto energético. R: a) Lipossolubilidade alta, tamanho pequeno, ausência de carga e de polaridade. No caso de a substância possuir lipossolubilidade baixa, carga ou polaridade e ter grandes dimensões, a facilidade do transporte através das membranas biológicas depende da Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 137 presença da proteína transportadora na membrana, além da quantidade em que essa proteína está presente e de seu estado (caso a proteína possua mais de um): aberto, fechado, inativado. b) Observando as fómulas estruturais, pode-se perceber que a glicose é uma molécula bastante hidrofílica (muitos grupos OH que interagem com a água por meio de inúmeras ligações de hidrogênio) de lipossolubilidade baixa que necessita de proteínas transportadoras específicas para atravessar membranas celulares. Diferentemente, o oxigênio molecular é uma molécula apolar de lipossolubilidade elevada e que pode se difundir por entre as moléculas de lipídios da membrana sem necessidade de proteínas transportadoras. A difusão do oxigênio é linear: diretamente proporcional à diferença de concentração nos meios intra e extracelular; já a difusão de glicose é uma curva que tende a se tornar uma reta horizontal. Essa conformação das duas curvas indica que, para a glicose, existe fluxo máximo de difusão, o que não acontece no caso do oxigênio. Observando o gráfico e as fórmulas estruturais pode-se perceber a natureza saturável do transporte dependente de proteínas transmembrana. c.1) Transporte se satura. O transporte dependente de proteínas transportadoras específicas é saturável (informação do item anterior). A elevada carga filtrada de glicose nos indivíduos com diabetes faz com que o transporte de glicose nos túbulos proximais se sature (glicose não atravessa a membrana → δ = 1). Com isso, a glicose que não é reabsorvida é eliminada na urina e puxa água com ela (glicose osmoticamente ativa), por isso o volume urinário aumenta. c.2) Quanto ao sentido → co-transporte ou simporte: duas substâncias são transportadas num mesmo sentido. Quanto ao gasto energético → transporte ativo secundário: utiliza-se o fluxo passivo do Na + para energizar o transporte ativo de glicose. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 138 74. A doença hipertensiva específica da gravidez (pré-eclâmpsia e eclâmpsia) é uma patologia caracterizada pela elevação da pressão arterial em mulheres grávidas a partir da 20ª semana de gestação. Na pré-eclâmpsia, os vasos sanguíneos da gestante se contraem (tornando-se estreitos), diminuindo o suprimento de sangue e oxigênio ao feto, à placenta, aos rins, ao fígado, aos olhos, ao cérebro e a outros órgãos da mulher. A eclâmpsia, uma complicação da pré-eclâmpsia, surge quando crises convulsivas se adicionam à sintomatologia da pré-eclâmpsia. A terapêutica farmacológica consiste na utilização de anti-hipertensivos (pré-eclâmpsia) e anticonvulsivantes (eclâmpsia). a) O íon Ca +2 é fundamental para o acoplamento excitação-contração no músculo liso. Sabe-se que, nesse tecido, as reservas intracelulares de Ca +2 parecem não ser muito importantes para o processo de contração, o qual depende da entrada desse íon na célula. Ca +2 pode entrar nas células musculares lisas por dois tipos de canais: canais de Ca +2 dependentes de voltagem e canais de Ca +2 acionados por ligantes (hormônios, neurotransmissores, medicamentos). Sabendo que o problema chave na pré-eclâmpsia é a contração do músculo liso vascular, proponha um mecanismo de ação para a nifedipina, um anti-hipertensivo utilizado em pacientes com pré-eclâmpsia. b) Analise o mecanismo de transmissão neuromuscular típico do músculo esquelético apresentado a seguir: - Os músculos esqueléticos são inervados por neurônios motores. - Após um estímulo, o neurônio motor se despolariza e essa despolarização é conduzida até a porção distal do axônio pelo potencial de ação. - Na porção distal do axônio (terminal pré-sináptico), a membrana contém canais de Ca +2 dependentes de voltagem que se abrem quando o potencial de ação chega. - Os canais de Ca +2 são canais seletivos para cátions bivalentes. - A abertura desses canais permite ocorrência de fluxo de Ca +2 para o interior do terminal pré-sináptico. - O aumento local de Ca +2 promove a liberação de vesículas contendo acetilcolina, um neurotransmissor. - A placa motora, local da membrana da célula muscular que está em contato com a terminação nervosa, contém receptores nicotínicos de acetilcolina. - Esses receptores de acetilcolina são canais de Na + que se abrem na presença do neurotransmissor permitindo a despolarização e consequente contração muscular. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 139 Uma das estratégias terapêuticas utilizadas na prevenção de crises convulsivas em pacientes com eclâmpsia é a administração de sulfato de magnésio (MgSO 4 ). Com base nas informações fornecidas acima sobre a transmissão neuromuscular, justifique a estratégia terapêutica utilizada na eclâmpsia. c) Sabendo que a manutenção do tônus muscular, ou seja, o controle da contração muscular no estado de repouso, depende da neurotransmissão colinérgica, qual seria um efeito colateral do sulfato de magnésio? R: a) O mecanismo de ação da nifedipina envolve o bloqueio de canais de Ca +2 de células musculares lisas vasculares. b) MgSO 4 libera íons magnésio (Mg 2+ ). Tais íons, por serem bivalentes como os íons de cálcio (Ca 2+ ), competem, por excesso de substrato, com os íons Ca +2 para entrar nas terminações nervosas através dos canais de cálcio que são seletivos para íons bivalentes. Tal competição resulta em menor entrada de cálcio nas terminações. O efeito final é a inibição da neurotransmissão que culminaria na contração do músculo esquel ético. Portanto, doses adequadas de sulfato de magnésio, revertem o sintoma crítico da eclâmpsia: as crises convulsivas. c) O efeito colateral dessa substância é a fraqueza muscular da gestante e do feto. 75. A fosforilação oxidativa é um processo no qual transporte ativo e passivo estão acoplados e o resultado final da associação dos transportes é a produção de ATP. A membrana interna da mitocôndria é a sede do processo. As etapas são as seguintes: I. NADH e FADH 2, situados na matriz mitocondrial, transferem elétrons para uma proteína da membrana mitocondrial interna. II. A partir dessa proteína, os elétrons são transferidos a outras proteínas da membrana mitocondrial interna, numa sequência, o que dá origem a uma corrente elétrica no interior da membrana. III. Essa corrente elétrica energiza o transporte de íons H + da matriz mitocondrial para o espaço entre as membranas interna e externa da mitocôndria. Esse transporte de H + é efetuado pelas próprias proteínas receptoras/doadoras de elétrons; obviamente, apenas as proteínas integrais podem fornecer poro hidrofílico através do qual os prótons se movimentam. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 140 IV. O destino final dos elétrons é o oxigênio molecular (aceptor final de elétrons) situado na matriz mitocondrial. V. A energia do gradiente de pH é dissipada por outra proteí na intrínseca da membrana, a ATP sintase, que utiliza a energia do gradiente para sintetizar ATP a partir de ADP e de fosfato inorgânico (P i ). As transferências de elétrons ocorrem, de uma proteína a outra da membrana mitocondrial, até o oxigênio molecular, por meio de reações de oxirredução. As reações que sintetizam o processo são as seguintes: - NADH + H + + ½ O 2 → NAD + + H 2 O - FADH 2 + ½ O 2 → FAD + H 2 O - ADP + P i → ATP Esse processo é conhecido como cadeia respiratória e sua ocorrência é fundamental para a síntese de ATP. a) Classifique os transportes que ocorrem nas etapas III e V. b) O 2,4-dinitrofenol é uma substância que se insere na membrana mitocondrial interna e permite passagem de H + através dessa membrana. Cite a principal implicação do uso dessa substância. c) O íon cianeto (CN - ), substância conhecida pelo seu caráter letal quando em organismos vivos, é um íon que bloqueia o transporte de elétrons realizado pela última proteína da cadeia respiratória (complexo IV ou citocromo oxidase). Cite a principal implicação do uso dessa substância. R: a) III → Transporte ativo primário: utiliza-se energia proveniente de uma reação química de oxirredução para a realização do transporte. V → Transporte passivo: a favor do gradiente eletroquímico. b) Perda do gradiente de pH através da membrana mitocondrial interna. Prejuízo para a síntese de ATP. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 141 c) Interrupção da cadeia respiratória. Prejuízo para a síntese de ATP. 76. A compreensão de como ocorrem os movimentos de fluidos no organismo é de fundamental importância para o entendimento da homeostasia. Por essa razão, o transporte de substâncias através das membranas biológicas é um assunto vasto e muito estudado pelos pesquisadores. O Prêmio Nobel da Química do ano de 2003 foi atribuído a Peter Agre pela descoberta das aquaporinas. a) O que são aquaporinas? b) Se a água tem trânsito livre na membrana, qual o papel fisiológico das aquaporinas? c) As aquaporinas estão presentes em membranas de todas as células do organismo? Comente sua resposta incluindo os mecanismos que regem a constância ou inconstância dessas proteínas nas membranas. d) Com base na resposta ao item c, como você modificaria a resposta dada no item b, (qual a função das aquaporinas no movimento dos fluidos no organismo)? e) Defeitos genéticos envolvendo genes que codificam as aquaporinas têm si do associados a várias doenças humanas, uma delas é o Diabetes insipidus causado por uma mutação no gene codificador da aquaporina do tipo 2, que é a isoforma renal. Qual é o principal sintoma apresentado por indivíduos com essa alteração genética? Cite outra causa possível para esse sintoma com base no mecanismo de ação das aquaporinas. R: a) Aquaporinas são proteínas transmembrana compostas por quatro subunidades protéicas (cada subunidade funciona como um canal) que transportam água seletivamente. Existem diversas isoformas de aquaporinas e algumas permitem a passagem de glicerol juntamente com água (gliceroaquaporinas). b) Otimizar ou aumentar o fluxo de água através da membrana. c) Não. Estudos já confirmaram a presença das aquaporinas em diversos tecidos, mas não em todos. Além disso, nos tecidos onde essas proteínas são expressas, elas parecem Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 142 ser recrutadas de reservatórios intracelulares para a membrana plasmática em situações em que as células do órgão precisam ter fluxo aumentado de água pela membrana para executar a função do órgão (reabsorção de água nos rins, secreção de água nas glândulas salivares...). Os mecanismos mais conhecidos que regulam a quantidade de aquaporinas nas membranas incluem mecanismos hormonais (bem conhecidos para as células renais: vasopressina aumenta a quantidade de aquaporinas nas membranas) e genéticos (indução/repressão da transcrição gênica). d) Como as aquaporinas não ficam o tempo todo na membrana, elas participam do processo de MODULAÇÃO do fluxo de água pelas membranas celulares. e) O principal sintoma dessa doença é a eliminação excessiva de água pela urina já que faltam aquaporinas para promover reabsorção de água nos néfrons. Outra causa para esse sintoma seria a hipofunção da glândula secretora do hormônio que recruta aquaporinas para as membranas (vasopressina). Outra causa seria a ausência ou defeito no receptor desse hormônio nas células onde ele atua. 77. . Os ionóforos são agentes químicos que interagem com as membranas biológicas e promovem o transporte de íons. São utilizados amplamente como antibióticos que, misturados na ração de ruminantes, eliminam certas bactérias fermentadoras que prejudicam a digestão e, consequentemente, crescimento desses animais. O mecanismo de ação dos ionóforos não está completamente estabelecido. Uma hipótese é a de que eles fornecem poros hidrofílicos na membrana celular permitindo o fluxo passivo de íons. a) Em doses acima das indicadas, os ionóforos podem causar a morte, não só de bactérias, mas também dos próprios ruminantes. Considerando as células eucariotas dos bovinos e sabendo que os ionóforos podem “invadir” a membrana de qualquer compartimento celular, além da membrana plasmática, cite possíveis danos às células que podem ocorrer em decorrência dessas substâncias. b) Observe a figura que representa uma célula eucariota. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 143 Três proteínas da membrana celular estão ilustradas; o transporte ativo está indicado por “ATP” e o sentido do fluxo de alguns íons, por setas. Compare os potenciais eletroquímicos nos meios intracelular (µ i ) e extracelular (µ e ) para todos os íons representados na figura (maior, menor, igual) e indique a direção do fluxo de cada um através do ionóforo. R: - Desacoplamento entre transporte ativo e passivo de prótons durante a fosforilação oxidativa a nível da membrana mitocondrial; - Entrada e saída descontrolada de diversos íons na célula: a entrada de Ca +2 prejudica processos de sinalização dependentes desse íon; - Perda de gradientes de potencial eletroquímico que seriam dissipados com finalidade específica de energizar algum transporte ativo secundário. b) Na + → µ i < µ e ; fluxo do meio extracelular para o intracelular. K + → µ i > µ e ; fluxo do meio intracelular para o extracelular. H + → µ i < µ e ; fluxo do meio extracelular para o intracelular. 78. Uma das formas de comunicação entre diferentes partes de um organismo multicelular ocorre através da variação do potencial elétrico transmembrana. Ela é possível devido à existência de potenciais elétricos através das membranas celulares; tais potenciais são mantidos em um valor aproximadamente constante durante o tempo, mas podem variar, sendo essa variação utilizada para transmitir informações de uma célula para outra. a) Qual a origem do potencial de membrana das células? Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 144 b) Elabore hipótese(s) para explicar as diferenças de potencial elétrico de repouso de um fenótipo celular para outro. Por exemplo, células musculares esqueléticas podem ter potenciais de -90mV, neurônios de -65 mV e algumas células epiteliais tem potenciais de -40 mV. R: a) O potencial de membrana é mantido por meio da movimentação de íons através da membrana lipídica tornando o meio externo predominantemente positivo e o interno predominantemente negativo. Esse movimento pode ser passivo ou ativo, sendo que o fluxo passivo de íons (fluxo de eletrodifusão) é o que mais contribui para a manutenção do potencial de repouso nos níveis usuais. Ao contrário do que somos induzidos a pensar, a bomba de Na/K eletrogênica não é a principal formadora e mantenedora do potencial de membrana. Dependendo da célula, muito ou pouco ativa, a contribuição da bomba para formação e manutenção do potencial de membrana é maior ou menor, respectivamente. É importante ressaltar que, mesmo em se tratando de células muito ativas, a contribuição da bomba nunca é maior que a dos fluxos passivos dos íons. No máximo, a bomba contribui em 20% do potencial de membrana de repouso. b) Diferente composição da membrana celular em termos de quantidade e tipo dos diversos canais. Essa diferença numérica e qualitativa nas proteínas canal da membrana podem estar relacionadas à expressão, em cada tipo celular, maior ou menor de determinados genes e à expressão de isoformas diferentes de uma mesma proteína canal. 79. Sobre as substâncias que participam da geração do potencial transmembrana, responda: a) Qual é a diferença entre um íon que está em equilíbrio eletroquímico e um que se encontra em estado estacionário? b) Em que situação a equação de Nernst é válida? c) Utilize a equação de Nernst {E s = [ R x T x ln ( C e / C i ) ] / ( Z s x F )}para calcular o potencial de equilíbrio para os seguintes íons hipotéticos a 20 o C: A + → [A + ] e = 20 mM; [A + ] i = 9 mM; B -2 → [B -2 ] e = 100 mM; [B -2 ] i = 1 mM. (R é a constante dos gases ideais; R = 8,31 J x K -1 x mol -1 . T é a temperatura absoluta, em Kelvin; T = t + 273. t é a Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 145 temperatura em graus Celsius. ln é o logaritmo natural. Z s é a valência da substância “s”. F é a constante de Faraday; F = 96500 C x mol -1 ) R: a) Em ambas as situações, as concentrações e potenciais eletroquímicos dos íons se mantêm constantes ao longo do tempo. A diferença é que, na situação de equilíbrio eletroquímico, o fluxo do íon através da membrana é praticamente nulo, enquanto que no estado estacionário fluxos ativo e passivo do íon coexistem para manter a concentração e potencial eletroquímico do íon constantes. b) Quando o íon está em equilíbrio eletroquímico. c) E A = [ 8,31 x 293 x ln ( 20 / 9 ) ] / ( +1 x 96500 ) = 20,15 mV. E B = [ 8,31 x 293 x ln ( 100 / 1 ) ] / ( -2 x 96500 ) = -58,09mV. 80. Considerando uma célula no estado estacionário com concentrações de K + de 158 mM; Na + , 12 mM; Cl - , 4mM; em uma solução com K + a 4 mM; Na + , 124 mM; Cl - , 128 mM, responda: Dados: Os resultados devem ser arrendondados para o número inteiro mais próximo. V m = -87 mV; R = 8,31 J.K -1 .mol -1 ; F = 96500 C.mol -1 ; t = 20 o C. Equação: V s = [R.T.ln (C se / C si )] / Z s .F. a) Existe algum íon em equilíbrio? b) Indique o sentido do fluxo de eletrodifusão para os íons que não estejam em equilíbrio. R: . a) Para saber se existe algum íon em equilíbrio, calculamos o potencial de equilíbrio de cada íon e comparamos com o valor do potencial de membrana. Assim: V K + = [8,31 x 293 x ln (4/158)] / (+1 x 96500) = -93mV; V Na + = [8,31 x 293 x ln (124/12) / (+1 x 96500) = +59mV; V Cl - = [8,31 x 293 x ln (128/4) / (-1 x 96500) = -87mV. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 146 Como o potencial de membrana vale -87mV, concluímos que o íon Cl - está em equilíbrio. b) i) Os íons que não estão em equilíbrio (K + e Na + ) tendem a se movimentar de tal forma a tentar fazer com que E m adquira o mesmo valor de seu potencial de equilíbrio (E m = E s ), situação de maior estabilidade para os íons. K + tende a fazer E m (-87mV) ficar igual a seu potencial de de equilíbrio: E m = E K + = - 93mV. Para isso, o interior da célula deve ficar mais negativo e, portanto, K + deve sair da célula. Na + tende a fazer E m (-87mV) se igualar ao seu potencial de equilíbrio: E m = E Na + = +59mV. Para isso, o interior da célula deve ficar mais positivo e, portanto, Na + deve entrar na célula. ii) Outra resposta possível, cujo raciocínio é mais quantitativo, é a seguinte: Esta sugestão de resposta envolve demonstração por meio da seguinte fórmula: μ s i – μ s e = Z s x F (V m – V s ); nesta fórmula: - μ s i = potencial eletroquímico da substância “s” no meio intracelular; - μ s e = potencial eletroquímico da substância “s” no meio extracelular; - Z s = carga da substância em questão; - F = constante de Faraday, dada no exercício; - V m = potencial da membrana da célula em questão; - V s = potencial de equilíbrio da substância “s”. O fluxo de eletrodifusão para os íons que não estão em equilíbrio (Na + e K + ) pode ser calculado comparando-se o potencial eletroquímico de cada íon dentro e fora da célula. Assim: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 147 μ Na + i – μ Na + e = +1 x 96500 x (-87 – 59) < 0 → μ Na + i – μ Na + e < 0 → μ Na + i < μ Na + e . Como o fluxo ocorre do local de maior potencial para o de menor, conclui-se que o Na + flui do meio extracelular para o meio intracelular. μ K + i – μ K + e = +1 x 96500 x (-87 + 93) > 0 → μ K + i – μ K + e > 0 → μ K + i > μ K + e . Como o fluxo ocorre do local de maior potencial para o de menor, conclui -se que o K + flui do meio intracelular para o meio extracelular. 81. Calcule a relação entre as condutâncias (g) dos íons K + e Na + numa célula cujo potencial de membrana depende apenas dos íons Na + e K + e vale – 88 mV. Considere: E Na + = + 58,8 mV; E K + = - 92,7 mV e a relação: I s = g s x ( E m – E s ), onde “s” representa uma substância qualquer, como o Na + ou o K + . Desconsidere a contribuição da bomba de Na + /K + na formação do potencial de membrana. R: Como E m se mantém constante ao longo do tempo, podemos concluir que as correntes (I) de Na + e de K + têm a mesma intensidade e sentido contrário. Só essa situação é compatível com o movi mento de íons através da membrana sem que haja variação de E m . Temos, então: I Na + = g Na + x ( - 88 – 58,8 ) = - 146,8 g Na + I K + = g K + x ( - 88 + 92,7 ) = 4,7 g K + I Na + = - I K + → - 146,8 g Na + = - 4,7 g K + → g K + / g Na + = 31,23 82. Em uma célula não excitável cujo E m é determinado essencialmente pelo íon K + , como varia E m se a concentração externa de K + diminui de 10 mM para 4mM? R: Fica mais negativo. Se E m é determinado apenas pelo K + , E m acompanha as variações no E K + . Reduzindo-se a concentração externa de potássio, podemos concluir, através da fórmula abaixo, que o E K + diminui “puxando” consigo o E m . E s = [ ( - R x T ) / ( Z s x F ) ] x ln ( C si / C se ) Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 148 Se C K + e diminui, C si / C se aumenta e ln ( C si / C se ) aumenta. Como o termo [ ( - R x T ) / Z s x F ] é negativo, o aumento em ln ( C si / C se ) faz com que E K + fique mais negativo. E m acompanha E K + , ou seja, fica mais negativo. 83. Observe os seguintes gráficos de potenciais de ação em diferentes células. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 149 Além de os canais iônicos presentes na membrana serem importantes para definir o potencial de membrana de repouso, eles também determinam o perfil do potencial de ação. As diferenças nos potenciais de ação entre as células, representadas acima, se devem a diferenças qualitativas e quantitativas na composição proteica da membrana. a) Uma das diferenças entre o potencial de ação das fibras de Purkinje e o de células do nodo sinusal e neurônios é a existência de um platô após a despolarização que impede a repolarização imediata. Sabendo que a abertura de canais de Ca +2 é responsável pela formação do platô, qual deve ser a diferença entre a membrana das células que apresentam platô e a de células que não apresentam? b) Uma das proteínas de membrana presentes nos cardiomiócitos e que desempenha função importante nessas células é o trocador Na + - Ca 2+ . Obviamente, esse transportador também está presente em outros tipos celulares, mas exerce função muito especial nos cardiomiócitos comuns e fibras de Purkinje. Considerando a existência da fase de platô no potencial de ação dessas células, que função especial poderia ser atribuída ao trocador Na + - Ca +2 ? c) O transportador mencionado no item anterior (trocador Na + -Ca 2+ ) realiza um transporte ativo secundário energizado pelo gradiente eletroquímico do Na + através da membrana. Sua peculiaridade é a possibilidade de funcionar em intensidades diferentes e, até mesmo, em dois sentidos (tanto pode colocar Ca +2 para dentro da célula, como pode remover esse íon do meio intracelular) dependendo das condições eletroquímicas dos íons envolvidos no transporte. Intensidade e sentido do transporte podem ser previstos por relações matemáticas: FD = E m – 3E Na + 2E Ca . Se a força diretora para o transporte (FD) é negativa, ocorre efluxo de Ca +2 e influxo de Na + ; quando FD é positiva, o transporte ocorre em sentido contrário. Quanto maior o módulo da força diretora, maior o fluxo iônico. Calcule a força diretora e indique o sentido do transporte Na + - Ca +2 em cardiomiócitos nas seguintes condições apresentadas. 1) Célula em repouso ([Ca 2+ ] i = 0.2 µM, Em = -80 mV); 2) Célula durante o platô (fase 2) do potencial de ação ([Ca 2+ ] i = 0,8 µM, Em = -10 mV). Considere: [Na + ] i = 8 mM, [Na + ] e = 140 mM, [Ca 2+ ] e = 1,5 mM, 37 o C. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 150 R: a) Existência de canais de Ca +2 que se abrem antes que repolarização significativa ocorra. b) Transporte do Ca +2 (que se acumulou durante a fase de platô) para o meio extracelular normalizando a concentração intracelular desse íon. c) 1) Célula em repouso ([Ca 2+ ] i = 0.2 µM, Em = -80 mV). FD = E m – 3E Na + 2E Ca Calculando: E Na = [ 8,31 x 310 x ln ( 140 / 8 ) ] / ( + 1 x 96500 ) = 76,41 mV; E Ca = [ 8,31 x 310 x ln ( 1,5 / 0,2 x 10 -3 ) ] / ( + 2 x 96500 ) =119,10mV ; FD= -80 – ( 3 x 76,41 ) + ( 2 x 119,10 ) = -71,03mV. O valor negativo encontrado nos indica que a bomba funciona no sentido de influxo de sódio e efluxo de cálcio. 2) Célula durante o platô (fase 2) do potencial de ação ([Ca 2+ ] i = 0,8 µM, Em = -10 mV). FD = E m – 3E Na + 2E Ca Calculando: E Na = [ 8,31 x 310 x ln ( 140 / 8 ) ] / ( + 1 x 96500 ) = 76,41 mV; E Ca = [ 8,31 x 310 x ln ( 1,5 / 0,8 x 10 -3 ) ] / ( + 2 x 96500 ) = 100,59 mV; FD= -10 – ( 3 x 76,41 ) + ( 2 x 100,59 ) = -38,05mV. Mantém a direção de influxo de sódio e efluxo de cálcio, mas com menor intensidade, pois o módulo da força diretora é menor. 84. Sabe-se que a ação de diversas substâncias (hormônios, fármacos, neurotransmissores) envolve a interação com proteínas da membrana das células. A fisiologia e farmacologia das crises convulsivas, cujo mecanismo está relacionado à despolarização neuronal, é um bom exemplo de tais interações ao nível da membrana. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 151 a) O ácido gama-amino-butírico (GABA) é um neurotransmissor inibitório (hiperpolariza células) que interage com canais de Cl - fazendo com que esses canais se abram e permitindo o fluxo de eletrodifusão de Cl - através da membrana. Com base nessas informações, compare os potenciais eletroquímicos do Cl - nos meios intracelular (µ Cl - i ) e extracelular (µ Cl - e ). b) Os fármacos do grupo dos barbitúricos foram os primeiros fármacos utilizados na terapêutica anticonvulsivante. Eles agem de forma análoga ao neurotransmissor GABA, pois também interagem com os canais de Cl - promovendo a abertura desses canais e o fluxo de eletrodifusão de íons Cl - . Represente (num gráfico potencial de membrana em função do tempo) o potencial de membrana de repouso seguido de um potencial de ação (PA) para ambas as situações: com e sem os fármacos mencionados. Para fins comparativos, esboce ambas as curvas em um mesmo gráfico. Considere E m = -80mV e E Cl - = -90mV; E limiar = -60mV. c) Com base no gráfico esboçado na resposta do item anterior, justifique o efeito anticonvulsivante dos barbitúricos. R:. a) µ Cl - i < µ Cl - e . b) Explicação para o PA com fármaco: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 152 Como os fármacos hiperpolarizam os neurônios, o E m na presença dos fármacos é menor. Com maior permeabilidade da membrana ao Cl - , o potencial de membrana tende a se aproximar do potencial de equilíbrio desse íon. Se um potencial de ação é deflagrado, seu limite superior é o mesmo que o do potencial de ação na ausência dos fármacos, pois o limite superior do PA é determinado pela sensibilidade dos canais de Na + e K + à voltagem. Num mesmo tipo celular, os canais de Na + permanecem abertos até que um potencial limite os inativa; e os canais de K + permanecem fechados até que um potencial limite os abre. Nesse potencial limite (pico do PA), o potencial de membrana começa a diminuir devido à inativação dos canais de Na + e à abertura de canais de K + . O pico do PA depende apenas da natureza dos canais de Na + e K + . A fase de repolarização ocorre normalmente, talvez até mais rapidamente, devido ao fluxo de Cl - estimulado pelos fármacos. Na fase de hiperpolarização, o potencial diminui devido à maior saída de K + (normal nessa fase) e à maior entrada de Cl - (decorrente da presença do fármaco). Quando o potencial de membrana atinge o valor X, os canais de K + se inativam, independentemente da presença de fármaco. O que ocorre na presença de fármaco é que, nesse momento, o potencial de membrana não volta a aumentar como ocorre na ausência do fármaco. Devido aos canais de Cl - abertos pelo fármaco, o potencial de membrana continua reduzindo até que atinge os novos valores de potencial de membrana de repouso. c) Esses fármacos, ao reduzirem o potencial de membrana de repouso (E mr ), distanciam E mr do valor limiar. Desta forma, um estímulo maior é necessário para deflagrar um PA. A probabilidade de despolarizações neuronais ocorrerem “fora de hora” (convulsão) é menor. 85. A maioria das células apresenta uma diferença de potencial elétrico através da membrana mantida praticamente constante ao longo do tempo (potencial de membrana de repouso). Nas células excitáveis, esse potencial de repouso possui magnitude suficiente para permitir a ocorrência do potencial de ação, forma de comunicação entre as células excitáveis. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 153 a) O que determina o valor do potencial de membrana de repouso? b) Qual a diferença de uma resposta despolarizante local para potencial de ação? c) A hipocalemia (redução dos níveis plasmáticos de potássio) pode ser causada por ingestão deficiente e aumento da perda deste íon, como no hiperaldosterismo, fluxo urinário aumentado, alcalose metabólica, dentre outros. Qual o seu efeito na excitabilidade do neurônio? R: a) Concentrações intra e extracelular dos íons que colaboram para a geração do potencial de membrana e permeabilidade da membrana aos íons. b) Na resposta despolarizante local, a despolarização desencadeada pelo estímulo não é suficiente para variar o potencial de membrana até um valor limiar a partir do qual a despolarização se auto-alimenta. Desta forma, a variação de potencial de membrana não se propaga. Ao contrário, o potencial de ação resulta de um estímulo que altera o potencial de membrana até (ou além de) um valor limiar a partir do qual a despolarização se auto-alimenta; o potencial de ação se propaga. c) O efeito é o de reduzir a excitabilidade do neurônio. Quando existe concentração de K + no plasma abaixo da normal, existe menor concentração de K + no meio extracelular e, desta forma, maior tendência desse íon em sair das células. Essa maior saída de K + faz com que o potencial de membrana dos neurônios fique mais negativo. Tal redução do potencial de membrana de repouso do neurônio torna mais difícil o início do potencial de ação já que distancia o potencial de membrana do limiar. 86. Observe a figura: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 154 a) Considerando que o E K + = - 80 mV e E Na + = + 40 mV, qual o íon mais permeável no repouso? Justifique. b) Ainda durante o repouso, qual íon tem maior tendência em se movimentar, o Na + ou o K + ? Justifique. c) Que alterações ocorrem durante a despolarização e repolarização que permitem a elevação e diminuição, respectivamente, do E m ? Responda considerando o conceito de condutância. d) Por que existe hiperpolarização? Justifique, considerando, ainda, o conceito de condutância. e) Como E m volta, do ponto mais baixo do gráfico, ao nível correspondente ao repouso? Responda indicando os fluxos responsáveis por essa volta. f) Ocorre fluxo de K + para fora da célula durante a despolarização? Justifique. g) Ocorre fluxo de Na + para dentro da célula durante a repolarização? Justifique. R: a) O íon mais permeável no repouso é o K + . O E m se aproxima do potencial de equilíbrio do íon mais permeável e E m é mais próximo de E K + durante o repouso. b) O Na + , pois este íon é o que está mais longe de seu equilíbrio (tem maior força diretora), já que o potencial de membrana está muito longe de seu potencial de equilíbrio. c) - Despolarização: canais de Na + dependentes de voltagem se abrem aumentando a condutância da membrana a esse íon. Na + entra na célula aumentando E m . Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 155 - Repolarização: os canais de Na + dependentes de voltagem são inativados e os de K + , também dependentes de voltagem, se abrem aumentando a condutância da membrana ao K + . Esse íon sai da célula e faz com que E m diminua. d) A hiperpolarização acontece porque quantidade significativa de canais de K + dependentes de voltagem só se fecha quando o potencial de membrana chega a níveis bem baixos, abaixo dos níveis normais de repouso. Desta forma, a condutância ao K + permanece alta e íons K + continuam saindo até que E m chegue a um nível baixo tal (ponto mais baixo do gráfico) que seja capaz de fechar os canais de K + e interromper o fluxo deste íon. A interrupção do fluxo do K + interrompe a queda do E m . e) E m volta aos níveis do repouso devido a fl uxos passivos (de eletrodifusão) de íons pelos canais permanentemente abertos. Esses fluxos são os mesmos que acontecem no repouso e são os responsáveis pelo ajuste do E m. f) Sim. Os canais de K + permanentemente abertos permitem a saída de K + durante todo o potencial de ação. O que ocorre durante a despolarização é um fluxo predominante de Na + para dentro da célula. g) Sim. Os canais de Na + permanentemente abertos permitem a entrada de Na + durante todo o potencial de ação. O que ocorre durante a repolarização é um fluxo predominante de K + para fora da célula. 87. A bomba de sódio e potássio trabalha permanentemente, inclusive durante o potencial de repouso. a) Esta afirmação está correta? Explique. b) Sabe-se que em algumas situações, como isquemia ou intoxicação por metais pesados (chumbo e mercúrio), o funcionamento da bomba de sódio e potássio é comprometido. Quais seriam as conseqüências da inibição da bomba sobre o potencial de repouso (PR) e sobre o potencial de ação (PA)? R: a) Sim. A bomba de sódio e potássio transfere, de forma ativa e em situações normais, 3Na + para fora da célula e 2K + para dentro. Como existem fluxos passivos de Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 156 eletrodifusão de Na + para dentro da célula e de K + para fora, o potencial da membrana permanece constante, durante o repouso, mesmo com a ATPase Na/K ativa. b) A contribuição da bomba de sódio e potássio para o potencial de membrana de repouso (E m r ) é pequena: muito pequena para algumas células e um pouco maior para outras, mas sempre inferior à contribuição dos transportes passivos. Desta forma, a inibição dessa bomba não altera muito o E m r . A pequena alteração é no sentido de aumentar o E m r, ou seja, no sentido de torná-lo menos negativo já que algum fluxo efetivo de carga positiva para fora da célula, que era realizado pela bomba, foi interrompido. Os fluxos iônicos que ocorrem durante o potencial de ação e que, efetivamente, determinam a variação de potencial de membrana são todos passivos. A inibição da bomba afeta apenas indiretamente o potencial de ação: como o potencial de membrana de repouso fica mais alto, estímulos menores podem desencadear potencial de ação. 88. Os anestésicos locais como a Lidocaína são fármacos que bloqueiam reversivelmente a condução dos impulsos nervosos, entre eles, aqueles envolvidos com estímulos nociceptivos (dolorosos). Estes fármacos têm ampla aplicação na clínica médica e odontológica, promovendo anestesia local com intensidade que, muitas vezes, dispensa o uso de anestésicos gerais. Sabe-se que o mecanismo de ação dessas substâncias envolve o bloqueio dos canais de sódio dependentes de voltagem pela ligação da molécula do fármaco a um sítio do canal que fica exposto ao citoplasma apenas quando esse canal está aberto ou se abrindo. a) Faça um gráfico de potencial de membrana (mV) em função do tempo (ms) e represente um potencial de ação. Considere E m = -85mV; E K + = -95mV; E Na + = +55mV. b) No gráfico construído no item anterior, trace linhas verticais que separem as principais etapas do potencial de ação. Nomeie as etapas e, para cada uma delas, compare as condutâncias (g) da membrana aos íons Na + e K + . c) Indique a fase que contém canais de Na + dependentes de voltagem principalmente no estado aberto. d) Em que fase pode-se esperar maior efeito do anestésico? R: a) Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 157 b) a → repouso: g Na + < g K + b → despolarização: g Na + > g K + c → repolarização: g Na + < g K + d → hiperpolarização: g Na + < g K + e → repouso: g Na + < g K + c) Fase de despolarização. d) Na fase de despolarização. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 158 89. A respeito do potencial de ação, responda: a) Quais são os 2 fatores principais que determinam a existência de uma corrente de entrada de Na + durante a fase de despolarização do potencial de ação? b) No pico do potencial de ação, o potencial de membrana atinge valor igual, inferior, ou superior ao potencial de equilíbrio do Na + ? Comente a sua resposta justificando o valor encontrado. c) Por que, na fase de repolarização, o potencial de membrana tende a voltar para um valor próximo do potencial de equilíbrio do K + ? d) Canais de K + dependentes de voltagem são conhecidos como canais lentos de K + . Isso se deve ao fato de eles serem sensíveis apenas a uma grande variação de potencial de membrana (E m ) e se abrirem com certo atraso em relação aos canais de Na + dependentes de voltagem. Qual a importância dessa diferença de sensibilidade elétrica entre os dois tipos de canais? R: a) - Abertura de canais de Na + voltagem dependentes aumentando a condutância da membrana ao Na + ; - Gradiente de potencial eletroquímico ( μ Na e > μ Na i ). b) Inferior. Porque, nesse momento, assim como durante toda a fase de despolarização, embora a permeabilidade da membrana ao Na + aumente muito, a membrana não se torna totalmente permeável a esse íon. c) Porque a permeabilidade da membrana ao K + aumenta muito (abertura de canais de K + dependentes de voltagem). Além da abertura de canais de K + dependentes de voltagem, também são importantes para a aproximação entre E m e E K + durante a repolarização: fluxo de K + através de “canais de vazamento” – canais de K + permanentemente abertos – e redução da permeabilidade da membrana ao Na + (devido à inativação de canais de Na + dependentes de voltagem). d) Canais de Na + se abrem no limiar, após pequena variação no E m . Canais de K + só se abrem no pico do potencial de ação, após grande variação no E m . Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 159 A abertura de canais de K + com certo atraso em relação à abertura de canais de Na + permite a existência de fluxo resultante de carga positiva (Na + ) para dentro da célula durante a fase de despolarização. A abertura não simultânea decorrente da diferença de sensibilidade elétrica dos canais possibilita a existência do potencial de ação. Se os canais se abrissem ao mesmo tempo (mesma sensibilidade elétrica), a fase de despolarização não existiria, pois o fluxo de cargas positivas (Na + ) para dentro da célula seria contrabalanceado pelo fluxo de cargas positivas (K + ) para fora da célula. 90. As variações do potencial de membrana que ocorrem durante o potencial de ação resultam de variações da condutância da membrana ao Na + e ao K + . Essas variações da condutância são resultado da abertura, do fechamento e da inativação de canais dependentes de voltagem, específicos para cada tipo de íon, que existem na membrana celular. a) Cite os estados possíveis para os canais de Na + dependentes de voltagem. Para cada estado, descreva a situação em que estão as comportas de ativação e inativação (fechada ou aberta). b) Considere os seguintes valores para os potenciais de membrana: - E m = -85mV (estado de repouso) - +20mV (limiar) < E m < +50mV (pico do potencial de ação) - E m = +48mV (fase de repolarização) Para cada valor de potencial de membrana apresentado, indique o estado mais provável em que se encontram os canais de Na + . c) Defina e caracterize os períodos refratários. d) A propagação do potencial de ação ocorre apenas em um sentido. Por que isso ocorre? R: a) Canal de Na + fechado → comporta de ativação fechada e comporta de inativação aberta; Canal de Na + aberto → comportas de ativação e inativação abertas; Canal de Na + inativo → comporta de ativação aberta e comporta de inativação fechada. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 160 b) o E m = -85mV (estado de repouso) → estado fechado. o +20mV (limiar) < E m < +50mV (pico do potencial de ação) → estado aberto. o E m = +48mV (fase de repolarização) → estado inativado. c) No período refratário absoluto, a membrana se encontra absolutamente refratária a estímulos; por mais fortes que os estímulos sejam não se consegue gerar um novo potencial de ação. Isso ocorre porque, nesse período, uma fração considerável de canais de Na + encontra-se inativada por voltagem. Poucos canais de Na + estão fechados e, portanto, apenas esses poucos podem responder ao estímulo, mas não são suficientes para deflagrar potencial de ação. O período refratário relativo é um período em que a membrana pode responder a estímulos fortes, mas ainda é refratária a estímulos normais. A causa é a existência de alguns canais de Na + inativados por voltagem. Apenas estímulos muito fortes podem abrir quantidade suficiente de canais de Na + que estavam fechados e deflagrar novo potencial de ação. d) Porque a membrana do local pelo qual o potencial de ação passou encontra-se em período refratário. 91. Considere o sistema, separado por uma membrana semipermeável, onde as proteínas (o grupo R - ) e os íons sódio NÃO são difusíveis. As concentrações dos dois lados da membrana, no equilíbrio, são as indicadas. Compartimento A Compartimento B 145 mM Na + 30 mM R - 5 mM K + X mM Cl - 15mM Na + 156 mM R - YmM K + Z mM Cl - Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 161 Sabendo que os íons cloreto e potássio são difusíveis, que os íons sódio e as proteínas não são difusíveis e que este sistema pode atingir o Equilíbrio de Donnan, determine as concentrações de cloreto e de potássio, em cada compartimento no equilíbrio. R: Dois princípios devem ser obedecidos para a resolução deste exercício: princípio da iso-osmolaridade para aqueles íons que podem atingir o equilíbrio entre os compartimentos e princípio da neutralidade dentro de cada compartimento. Considerações: Quantidade de cargas = q. µ = potencial eletroquímico. µ s = µ o + R x T x ln C s ÷ onde “s” é uma substância qualquer e C representa sua concentração. Aplicando o princípio da neutralidade ao compartimento A, obtemos X (concentração de íons cloreto): q+ (A) = 145 + 5 = 150; q- (A) = 30 + X. Como, no equilíbrio, o compartimento A está neutro, q+ (A) = q- (A) ÷ 150 = 30 + X ÷ X = 120 mM. Para descobrir as demais concentrações, algumas observações devem ser feitas a respeito da condição de equilíbrio entre os compartimentos: No estado de equilíbrio, os potenciais eletroquímicos nos compartimentos A e B devem ser iguais. Os potenciais eletroquímicos dos dois compartimentos são calculados considerando-se apenas os íons que podem se difundir. Assim, temos: µ (A) = µ K + (A) + µ Cl - (A) µ (B) = µ K + (B) + µ Cl - (B) o µ K + (A) = µ oK + + ( R x T x ln C K + (A) ) o µ Cl - (A) = µ oCl - + ( R x T x ln C Cl - (A) ) Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 162 o µ K + (B) = µ oK + + ( R x T x ln C K + (B) ) o µ Cl - (B) = µ oCl - + ( R x T x ln C Cl - (B) ) Equilíbrio ÷ µ (A) = µ (B) , então: µ oK + + ( R x T x ln C K + (A) ) + µ oCl - + ( R x T x ln C Cl - (A) ) = µ oK + + ( R x T x ln C K + (B) ) + µ oCl - + ( R x T x ln C Cl - (B) ) Simplificando, temos: ( R x T x ln C K + (A) ) + ( R x T x ln C Cl - (A) ) = ( R x T x ln C K + (B) ) + ( R x T x ln C Cl - (B) ) Colocando o termo “ R x T” em evidência, temos: R x T x ( ln C K + (A) + ln C Cl - (A) ) = R x T x ( ln C K + (B) + ln C Cl - (B) ) Simplificando, temos: ln C K + (A) + ln C Cl - (A) = ln C K + (B) + ln C Cl - (B) Aplicando a propriedade de logarítimo, temos: ln ( C K + (A) x C Cl - (A) ) = ln ( C K + (B) x C Cl - (B) ) Simplificando, temos: C K + (A) x C Cl - (A) = C K + (B) x C Cl - (B) ÷ Esta é a expressão mais geral e conhecida do equilíbrio de Donnan e será aplicada neste exercício para obtenção das concentrações que ainda faltam: C K + (A) x C Cl - (A) = C K + (B) x C Cl - (B) ÷ 5 x 120 = Y x Z ÷ 600 = Y x Z ÷ Y = 600 / Z (1) Aplicando o princípio da neutralidade, temos: q+ (B) = 15 + Y q- (B) = 156 + Z Sendo que q+ (B) = q- (B) ÷ 15 + Y = 156 + Z (2) Substituindo (1) em (2), temos: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 163 15 + ( 600 / Z ) = 156 + Z ÷ ( 15 x Z ) + 600 = ( 156 x Z ) + Z 2 ÷ Z 2 + ( 141 x Z ) – 600 = 0 ÷ Z = 4,13 mM. Substituindo o valor de Z na equação (2), obtemos o valor de Y: 15 + Y = 156 + 4,13 ÷ Y = 145,13 mM. Compartimento A Compartimento B 145 mM Na + 30 mM R - 5 mM K + 120 mM Cl - 15mM Na + 156 mM R - 145,13 mM K + 4,13 mM Cl - Enunciado 1 – A dor pode ser definida como uma sensação desagradável, criada por um estímulo nocivo, e que atinge o sistema nervoso central por meio de vias específicas. Estas vias são compostas de neurônios sensitivos que se comuni cam através das sinapses de modo a levar a informação dos nociceptores (“receptores da dor”) até o centro de integração, onde ocorre de fato a percepção da dor, ou seja, onde o estímulo doloroso torna-se uma sensação consciente. 92. A dor rápida, descrita como aguda e localizada, é transmitida rapidamente por fibras A- δ (A-delta), que são fibras pequenas e mielinizadas. A dor lenta, descrita como difusa e espalhada, é levada por fibras C que são pequenas e desmielinizadas. Tipo de Fibra Nervosa Diâmetro (µm) Mielinização Velocidade de Condução (m/s) fibras A-δ 3 a 6 presente 15 a 35 fibras C 0,3 a 1,3 ausente 0,7 a 1,3 Explique a diferença de velocidade de condução entre as fibras segundo as características apresentadas; R: Quanto ao diâmetro: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 164 Quanto maior o diâmetro do axônio, menor será a resistência oferecida pela membrana à passagem da corrente despolarizante do Potencial de Ação. Assim, quanto maior o diâmetro, maior a velocidade de condução. Quanto à mielinização: Embora os nódulos de Ranvier permitam uma condução saltatória e, por isso, rápida, a corrente que chega ao nódulo implica em: despolarização de membrana, abertura de canais de Na + , influxo de Na + no axônio e reforço da despolarização que, se por um lado evita o decaimento do sinal, mantendo a amplitude do Potencial de Ação, por outro torna mais lento o fluxo da corrente. Assim, os nódulos são necessários, mas quanto maior a extensão mielinizada, mais rápida será a condução. Conclusão: Como as fibras C têm menor diâmetro e não se apresentam envolvidas pela bainha de mielina, elas conduzem o Potencial de Ação com menor velocidade que as fibras A-δ (A-delta), que têm maior diâmetro e são mielinizadas. 93. Ao caminhar descalço pela praia na noite de Ano Novo, você pisa em um caco de vidro bastante fino e pontiagudo, resto de uma garrafa de champagne. Primeiro, você sente uma dor aguda (dor rápida), exatamente no local onde o vidro penetrou o pé, seguida de uma dor latejante (dor lenta) persistente. a) Com base no que foi dito sobre as fibras nervosas aferentes, por que primeiro se sente a dor aguda e só depois é que vem a dor latejante? b) Como um estímulo nocivo no pé pode ser percebido como dor no SNC, na cabeça, distante 1,70 metros do local da lesão tão rapidamente? Explique isto através de uma comparação entre potenciais graduados e potenciais de ação. a) R: A dor aguda é sentida primeiro porque usa vias aferentes cujas fibras são do tipo A-δ (A-delta), que são cerca de 30 vezes mais rápidas na condução do Potencial de Ação do que as fibras C, que constituem as vias da dor latente. b) Se o estímulo que partiu do pé alcançou o encéfalo e foi capaz de informar a lesão, com consequente percepção da dor, é porque o estímulo foi forte o suficiente para gerar um Potencial de Ação, ou seja, a penetração do caco de vidro gerou um Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 165 estímulo supralimiar, deflagrando o Potencial de Ação. Não se pode dizer que a dor é resultado de potencial graduado, porque este, ao se propagar, perde a amplitude, decaindo o sinal. O Potencial de Ação, ao contrário, é deflagrado por um estímulo tal que gera uma amplitude suficientemente forte para vencer a resistência e se propagar de modo constante. Isso acontece porque a corrente despolarizante do Potencial de Ação é regenerada ao longo do axônio nos nódulos de Ranvier. Transmissão de sinais à distância tão longa somente são possíveis pelas propriedades do Potencial de Ação. Enunciado 2 – Já conhecemos um pouco dos mecanismos neurofisiológicos que levam à percepção da dor, mas vamos conhecer agora um pouco mais sobre uma droga que impede essa sensação, mas sem deixar o paciente inconsciente: os anestésicos locais. Este tipo de anestesia permite a realização de pequenos procedimentos cirúrgicos, terapêuticos ou até diagnósticos que, sem o uso do anestésico local, seriam inviabilizados pelo grande desconforto associado. Exemplos de sua aplicação são os anestésicos usados pelos dentistas antes da extração do dente siso ou de uma obturação. A anestesia local também precede desde procedimentos médicos mais corriqueiros como as suturas, até outras menos comuns como as traqueostomias. Vejamos, então, um pouco do mecanismo de ação desses anestésicos. Os anestésicos locais agem reduzindo a permeabilidade ao sódio nas membranas excitáveis, porque estes canais iônicos funcionam também como receptores para o anestésico. Trata-se dos canais voltagem-dependentes que mudam de conformação segundo variações no potencial de membrana. Quando os canais estão na conformação “aberta” ou “inativada”, a ligação dos anestésicos locais aos canais de Na+ é favorecida. 94. Proponha um possível mecanismo de ação para os anestésicos locais que explique como este fármaco evita a sensação da dor no local de aplicação. R: Os anestésicos locais se ligam ao canal de sódio bloqueando o mesmo, disso resulta que os canais se tornam “impermeáveis” ao sódio. Ainda que se produza um estímulo supralimiar, não haverá o influxo de sódio necessário à despolarização súbita que deflagra o potencial de ação, logo, este não ocorre. Desse modo, não haverá propagação do impulso elétrico que informaria o estímulo doloroso. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 166 95. Como potenciais de ação e despolarizações repetidas podem favorecer a ligação do anestésico ao canal? R: O potencial de ação e as repetidas despolarizações levam à abertura dos canais de sódio, configuração que favorece a ligação do anestésico ao canal, bloqueando-o. Do próprio decurso do potencial de ação também resulta a inativação dos canais, outra conformação que leva à ligação AL-canal Na + . 96. Uma das características dos anestésicos locais é o “bloqueio frequência-dependente” ou “uso-dependente” que diz que quanto mais estimulado um nervo (ou outra membrana excitável qualquer), maior será o efeito bloqueador de dor do anestésico. Explique. R: Os canais de sódio se abrem e/ou se inativam, proporcionalmente à intensidade do estímulo, de modo a facilitar a entrada do anestésico local que prefere estas configurações. Assim, o bloqueio é mais intenso (profundo) à medida que a frequência da estimulação aumenta. Quanto mais se estimula uma membrana, mais canais de Na + serão abertos, logo, mais anestésicos locais penetrarão nestes canais, impedindo sua reabertura numa próxima estimulação. Em outras palavras, é preciso expor o tecido ao estímulo doloroso para que o anestésico funcione nesse local. 97. Qual o impacto do uso dos anestésicos locais sobre a excitação das terminações nervosas? R: Como a cada despolarização/excitação da membrana menos canais estão “disponíveis” para o influxo de Na + , há redução da excitabilidade das terminações nervosas. Enunciado 3 – Já dissemos que os anestésicos locais reduzem a permeabilidade ao sódio por bloquearem os canais voltagem-dependentes deste íon na membrana. Contudo, o que ainda não dissemos é que estes canais são receptores intracelulares para os anestésicos locais e que quem efetivamente se liga ao canal é a forma catiônica do anestésico. Considerando estas informações e que os anestésicos locais são bases fracas que têm valores de pKa geralmente acima do pH fisiológico, responda: Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 167 98. Que percentual da tetracaína (anestésico local de pK = 8,5) está sob a forma molecular no pH fisiológico (pH = 7,4)? R: Em pH = 7,4, um total de 94% da tetracaína está na forma não ionizada. pH = pK + log(A/D) A + D = 100% 10 (pH-pK) = A/D 0,08D + D = 100% 10 (7,4 - 8,5) = A/D 1,08D = 100% A = 0,08D D = 93% 99. O percentual calculado no item anterior favorece a ação do anestésico local? Responda considerando o transporte através de membranas. R: Sim, como o AL precisa atingir seu receptor intracelular (que nada mais é que a porção intracelular do canal de Na + ), primeiro é ele difundir do local de aplicação para o interior do neurônio, através da membrana. Logo, se prevalecer a forma molecular, a difusão será favorecida, já que a forma não-ionizada, a molecular, é mais lipossolúvel. 100. Mas, como foi dito no enunciado, a forma que interage com essa porção intracelular do canal é a forma catiônica (ionizada). Explique como isso se dá se a forma molecular é a que difunde para dentro da célula. Dados: pka tetracaína = 8,5; pH fisiológico = 7,4; pH intracelular = 6,9. 1. R: Quanto mais ácido o meio, mais a reação de dissociação da base (BOH ↔ B + + OH - ) se desloca para a direita, no sentido de liberar hidroxilas. Assim, como do LEC para o LIC há redução do pH, (pois o ambiente intracelular é mais ácido que o extra), o anestésico na forma molecular que difundiu para dentro da célula, neste ambiente, se ioniza, liberando a forma catiônica que se liga ao canal de Na + . pKb > pH → B + > BOH pKb = pH → B + = BOH pKb < pH → B + < BOH Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 168 BOH BOH BOH B + B + BOH → B + BOH pH=6,9 BOH B + pH=7,4 Já vimos que no pH de 7,4 a tetracaína está 93% na forma molecular, que é mais lipossolúvel e por isso difunde melhor. Ao chegar ao meio intracelular, o pH é mais ácido e o anestésico se ioniza, liberando for ma catiônica (B + ) que pode se ligar ao canal de sódio (Na + ). 101. Valium® e Lexotam® são exemplos de benzodiazepínicos conhecidos comercialmente. Trata-se de um grupo de fármacos depressores do Sistema Nervoso Central com efeitos ansiolítico e miorrelaxante, dentre outros. Hoje se sabe que essa classe de medicamentos atua reforçando a ação de um neurotransmissor chamado GABA (ácido gama-aminobutírico). O GABA se liga ao seu receptor na membrana pós- sináptica e muda a conformação deste de modo a abrir canal seletivo a íons cloreto. Os benzodiazepínicos são chamados comumente de tranquilizantes, sedativos, e são indicados alívio sintomático da ansiedade, agitação e tensão nervosa. Dito isto, pergunta-se: a) Qual o tipo de sinapse envolvida na questão? b) Sobre o GABA, como se classifica o seu receptor? c) Qual parece ser o efeito pós-sináptico do neurotransmissor GABA neste caso? d) Por que o uso dos benzodiazepínicos leva aos efeitos descritos? R: a) Sinapse química, pois fala de neurotransmissor, receptor de membrana; b) Como se trata de um receptor de membrana que atua como um canal para íon segundo a ativação por um ligante, o receptor é do tipo ionotrópico; Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 169 c) Considerando efeitos farmacológicos e que o canal é seletivo ao Cl - , o efeito pós- sináptico é inibitório; d) Como os benzodiazepínicos aumentam a ação do GABA e este leva à abertura de canais de cloreto, o uso do medicamento leva a maior influxo de Cl - na célula pós- sináptica. Isso hiperpolariza o neurônio, tornando mais difícil o desenvolvimento do potencial de ação. Assim, embora exista o estímulo ansiogênico (como vôo de avião), os sintomas não aparecerão, pois o efeito inibitório do medicamento evita o processamento de uma resposta pelo SNC. 102. A Síndrome de Gordon (também denominada pseudo-hipoaldosteronismo do tipo II) é uma tubulopatia hereditária autossômica dominante rara, diagnosticada geralmente na infância ou na adolescência. Essa síndrome caracteriza-se pela reabsorção excessiva de cloreto pelo túbulo renal distal reto (hipótese do “shunt” de cloreto), o que resulta na redução do potencial negativo luminal do túbulo renal, e promove o aumento da reabsorção de sódio e hipervolemia. Dessa forma, os pacientes apresentarem hipertensão arterial sistêmica e supressão da produção de renina e aldosterona. A diminuição dos níveis séricos de aldosterona causa redução da excreção de íons H + e K + , e conseqüentemente acidose metabólica e hiperpotassemia. O tratamento consiste na restrição da ingestão de sal e no uso de diuréticos como a furosemida. Explique por que. R: A furosemida é antipertensivo, da classe de fármacos dos diuréticos de alça e atua sobre o ramo ascendente espesso da alça de Henle inibindo o transportador Na + /K + /2Cl - o que aumenta a excreção de água e íons. No pH fisiológico, esses fármacos são ânions que se prendem ao sítio de fixação do Cl - , impedindo-o de ciclar e com isso aumentam a oferta de sódio nos túbulos renais, resultando na maior eliminação de água por gradiente osmótico. Por cauda da medicação também ocorre o aumento da eliminação de Ca +2 e Mg +2 (pois o co-transportador Na + /K + /2Cl - é responsável por gerar uma carga positiva no lúmen do túbulos renais o que favorece a reabsorção desse íons). A dieta com redução da ingestão de sal tem como objetivo reduzir as concentrações plasmáticas de sódio e dessa forma reduzir o volume de sangue circulante o que auxiliará no controle da pressão arterial. 103. Um pescador faleceu com a suspeita de intoxicação após ingestão de um peixe conhecido como Baiacu. Após análises clínicas de exame de sangue, confirmou-se a Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 170 suspeita pela detecção da presença de tetrodotoxina (TTX) – toxina produzida nas gônadas e outros tecidos viscerais de alguns peixes da classe dos Tetraodontiformes. Sabendo-se que a intoxicação pela TTX provoca paralisia da vítima, qual será o mecanismo de ação dessa toxina que o levou à morte? R: A tetrodotoxina é uma neurotoxina que atua bloqueando os canais de sódio voltagem-dependentes, impedindo a despolarização e a propagação do potencial de ação nas células nervosas. Esta ação ocorre nos nervos periféricos motores, sensoriais e autonômicos, tendo ainda ação depressora no centro respiratório e vasomotor do tronco encefálico. Dessa forma a provável causa de morte é devido à paralisia muscular, que leva à depressão respiratória e falência circulatória, além de bradicardia severa. 104. A toxina botulínica é produzida pela bactéria Clostridium botulinum e foi inicialmente estudada em alimentos contaminados. Ao ser ingerida, essa toxina induz efeitos graves, especialmente musculares, produzindo fraqueza e paralisia, podendo até mesmo ser fatal. Hoje a toxina botulínica tem aplicações clínicas devido a suas propriedades. Primeiramente, foi utilizada no tratamento de estrabismo; nos anos 80, na terapêutica de distúrbios musculares, como blefarospasmo, e outras distonias focais. Na última década, tem-se usado toxina botulínica tipo A e B como relaxante muscular, em terapêutica de distúrbios musculares e de produção de secreções, assim como se tem revelado muito popular em aplicações estéticas, (eliminação de rugas e imperfeições), sendo mais conhecida como BOTOX ® . Como ela exerce esse efeito de relaxante muscular? R: A toxina botulínica atua degradando uma proteína presente na vesícula que carrega o neutransmissor. Essa proteína, a sinaptobrevina, é responsável por promover a fusão da membrana da vesícula sináptica dentro do neurônio com a membrana sináptica. Em suma, essa toxina impede a liberação do neurotransmissor na fenda sináptica e assim interrompe a transmissão de impulsos nervosos na placa motora promovendo o relaxamento muscular. 105. Xylestesin é o nome comercial de um fármaco usado como anestésico local, cuja composição química consiste em Cloridrato de Lidocaína, e o vasoconstritor, epinefrina. A lidocaína estabiliza a membrana neuronal por inibição dos fluxos iônicos necessários para o início e para a condução dos impulsos, efetuando deste modo a sua ação de anestésico. Com qual objetivo é adicionado um vasoconstritor à formulação? Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 171 R: O efeito de vasoconstritores, como a epinefrina, promove um tempo de ação mais prolongado dos anestésicos locais, pois reduz a sua eliminação. Além disso, evita que o que anestésico atinja a circulação sanguínea em concentrações elevadas diminuindo o risco de toxicidade sistêmica. Outra fato importante é que o vasoconstritor permite a utilização de menores concentrações do anestésico para produzir o bloqueio da condução nervosa e também ajudam a diminuir a hemorragia local. Por outro lado, podem causar estimulação do coração e irritabilidade, ou isquemia local principalmente em extremidades corpóreas onde o fluxo sanguíneo já é diminuído. 106. As sulfonilureias pertencem a uma classe de fármacos muito utilizada no tratamento de Diabetes Tipo II. Essas drogas exercem seus efeitos ao se ligarem e bloquearem canais para potássio. Como esse bloqueio pode levar a uma resposta hipoglicêmica? R: As sulfonilureias possuem ação hipoglicemiante ao facilitar a liberação de insulina pelas células beta do pâncreas. Esses fármacos são capazes de se ligarem aos canais de K + sensíveis a ATP nas células beta-pancreáticas, bloqueando esses canais. Com isso, ocorre a despolarização da membrana e consequente influxo de Ca 2+ pelos canais de Ca 2+ sensíveis a voltagem. O aumento da concentração intracelular de Ca 2+ , por sua vez, promove a exocitose de vesículas contendo insulina, um hormônio hipoglicemiante. 107. Um jovem de 18 anos foi ao consultório médico queixando-se de fraqueza muscular todas as manhãs ao realizar esforços físicos leves como subir escadas ou pequenas caminhadas. Relatou também apresentar sonolência e desmaios esporádicos. O médico iniciou o tratamento com o fármaco piridostigmina, contudo não houve melhoras no quadro clínico. O médico indicou, então, uma nova abordagem baseado na dieta alimentar e indicou que o paciente procurasse um nutricionista. Dessa vez então, o tratamento foi eficaz. Explique a função da piridostigmina e porque não houve melhora no quadro. Qual exame laboratorial deveria ter sido feito para diagnosticar a suspeita inicial? R: A suspeita inicial do médico era que o paciente era portador de uma doença autoimune, a miastenia gravis, que possui sintomas como debilidade muscular generalizada que piora com o uso da musculatura afetada e melhora com o repouso. Na miastenia gravis, são produzidos anticorpos contra os receptores para acetilcolina, nas placas motoras dos músculos esqueléticos. O bloqueio dos receptores impede a Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 172 despolarização das fibras musculares, conseqüentemente, não haverá contração e mobilidade. O diagnóstico é feito pela administração de fármacos que aumentam o tempo da acetilcolina na fenda sináptica como a piridostimina (um fármaco que bloqueia a ação da acetilcolinesterase) acompanhado da melhora do quadro clínico. Outras provas de diagnóstico consistem em medir a função dos nervos e dos músculos através de um eletromiograma, ou fazer análise sanguínea para detectar anticorpos para a acetilcolina. No caso em questão, como não houve melhora clínica com a administração do fármaco, o médico suspeitou então de um quadro de hipoglicemia que foi confirmado quando se observou a melhora do paciente ao aderir uma dieta adequada. 108. Um paciente chega ao PA queixando-se de dificuldades na mastigação acompanhada de rigidez muscular na região cervical. O exame clínico do paciente constatou a presença de uma ferida com secreção purulenta, que teve amostras recolhidas para análise laboratorial. Foi então, confirmada a contaminação pelo bacilo Clostridium tetani. Como o bacilo atua para gerar os sintomas apresentados? Qual a terapêutica? R: O bacilo, após colonizar a ferida e encontrar ambiente favorável, com baixa pressão de oxigênio, libera a sua toxina tetanospasmina. . Esta é uma neurotoxina e todas as manifestações conhecidas do tétano resultam da capacidade da tetanospasmina de inibir a liberação de neurotransmissores, na fenda sináptica, em neurônios inibitórios, desregulando, assim, a inibição de neurônios excitatórios. O sistema motor responde ao estímulo aferente, resultante dos impulsos excitatórios, não controlados por mecanismos inibitórios, com contração intensa, simultânea e sustentada dos músculos agonistas e antagonistas (espasmo tetânico), havendo uma paralisia espasmódica generalizada, característica do tétano. Como tratamento é administrado antídoto, um anticorpo que se liga à toxina e inibe a sua função. São também administrados fármacos relaxantes musculares, como curare. A penicilina e o metronidazol eliminam as bactérias, mas não têm efeito no agente tóxico que elas produzem. Os depressores do sistema nervoso central como o Diazepam e a vacina DTP também são dados, reduzindo a ansiedade e resposta espásmica aos estímulos. 109. O androsterona é um hormônio responsável pelo aumento da excreção de potássio para o filtrado urinário. Um indivíduo que possui hipoaldosteronismo apresenta fraqueza muscular. O exame de sangue demonstrou concentrações séricas de potássio Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 173 elevadas. Explique qual seria a relação entre o quadro clínico de fraqueza muscular e o resultado do exame de sangue. R: A repolarização durante o potencial de ação ocorre devido a corrente de efluxo de K + . Quando a concentração extracelular de K + está aumentada, conforme indicado no exame, o gradiente de concentração fica comprometido, o que dificulta a saída K + da célula e diminui a velocidade de repolarização durante o potencial de ação. Dessa forma, haverá um quadro de fraqueza muscular. 110. Uma mulher, 55 anos, em acidose diabética, é tratada com insulina. Essa substância interfere no transporte de K + gerando uma diminuição desse íon no plasma sanguíneo. a) Essa hipopotassemia pode causar fraqueza muscular. Explique. b) E como um enfermeiro pode atuar a fim de diminuir os efeitos da fraqueza muscular? R: a) A hipopotassemia (ou hipocalemia) promove a fraqueza muscular por hiperpolarizar as células, deixando o potencial de membrana ainda mais distante do limiar para o potencial de ação. Hiperpolarizada, a célula se torna menos excitável, explicando a fraqueza muscular. Tal hiperpolarização se deve ao aumento do gradiente de concentração do potássio entre os meios intra e extracelular, em função da redução na [K + ]extracelular que caracteriza a hipocalemia. b) O enfermeiro terá um importante papel checando a dieta do paciente, sempre se certificando de que ele receberá uma quantidade maior de K + em sua alimentação. Além disso, pode recomendar exercícios diários ao paciente visando um fortalecimento muscular. Outra conduta possível seria comunicar ao médico a evolução do quadro e se possível sugerir uma diminuição nas quantidades de insulina. 111. A fibrose cística é uma doença genética que altera proteína CFTR (regulador de condutância transmembranar de fibrose cística). E tal como a proteína, o próprio canal de Cl - vai sofrer uma mutação da qual vai resultar um transporte anormal de íons Cl - através dos ductos das células sudoríparas e da superfície epitelial das células da mucosa. Vai ocorrer, então, uma alteração no transporte dos íons Cl - através das glândulas exócrinas apicais, resultando dessa anormalidade, uma permeabilidade diminuída ao Cl - , fazendo com que o muco da fibrose cística fique cerca de 30 a 60 Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 174 vezes mais viscoso. A água por sua vez, como vai seguir o movimento do sódio de volta ao interior da célula, vai provocar um ressecamento do fluído extracelular que se encontra no interior do ducto da glândula exócrina. Como um enfermeiro pode auxiliar um paciente com essa patologia durante seu tratamento? R: O enfermeiro pode auxiliar de modo a recomendar a reidratação e a reposição de sódio, especialmente nos dias de calor. Além disso, outras medidas:  Uso de drogas moduladoras do transporte iônico: Amiloride – um diurético que, utilizado por via inalatória, bloqueia a reabsorção de sódio, aumentando sua concentração e, consequentemente, a de água na secreção brônquica, diminuindo a sua viscosidade;  Boa nutrição do paciente, por meio de dieta rica em calorias sem restrição de gorduras;  Suplementação de enzimas pancreáticas para auxiliar a digestão;  Reposição das vitaminas lipossolúveis A, D, E, K;  Inalações diárias com soro fisiológico, broncodilatadores ou mucolíticos, conforme as características da secreção. 112. A lidocaína injetável é um anestésico local parenteral (anestésico tipo amida; cloridrato de lidocaína). Com base nos conhecimentos biofísicos acerca de canais de membrana (sobretudo os canais de Na + ) explique o mecanismo de ação desse anestésico. R: O anestésico age bloqueando o impulso nervoso (a iniciação e a condução do impulso). O anestésico local diminui a permeabilidade da membrana neuronal aos íons sódio; a membrana fica estabilizada, pois impede a despolarização, inibindo assim, a propagação do impulso nervoso. 113. Um paciente é encaminhado à unidade de pronto atendimento queixando-se de fraqueza, falta de ar e tontura. Ao se verificar a frequência cardíaca, foi diagnosticada uma bradicardia. Baseando-se nos seus conhecimentos sobre biofísica, a enfermeira relatou ao médico a necessidade de se administrar um fármaco que elevasse a condutância da membrana aos íons cálcio. Por que ela concluiu isso? R: A redução da frequência cardíaca abaixo de valores fisiológicos é chamada de bradicardia. A entrada íons cálcio na célula é fundamental para que ocorra a contração cardíaca. Essa entrada ocorre por meio da abertura dos chamados canais lentos de Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 175 cálcio. Assim, a administração do fármaco fará com que ocorra aumento da entrada de íons cálcio, gerando aumento da frequência cardíaca e da forca de contração. 114. M.C.B. chegou ao hospital apresentando um ferimento profundo no braço direito. Devido à necessidade de se realizar uma sutura, o médico solicitou à enfermeira a administração do anestésico local procaína no paciente. Qual o mecanismo de ação dos anestésicos locais, como a procaína? R: Os anestésicos locais bloqueiam os canais de sódio. Dessa forma, se impede a condução do potencial de ação pelo axônio neuronal, deixando a área anestesiada. 115. A Miastenia grave é uma doença de cunho imunológico caracterizada pela destruição de grande parte os receptores de acetilcolina presentes na pl aca motora da musculatura esquelética. Isso causa uma fraqueza muscular e fadiga profunda nos portadores dessa doença. Mas, quando se administra um inibidor da acetilcolinesterase em um afetado, o paciente melhora quase que magicamente dos sintomas. Por que isso ocorre? R: O inibidor de acetilcolinesterase reduz a taxa de degradação da ACh na placa motora. Dessa forma, ocorre um aumento da concentração de ACH, o que compensa a pequena quantidade de receptores presentes na placa motora. 116. Houve nos anos 90, grande interesse mundial pela irradiação de alimentos tanto pelo público como pela indústria alimentícia, sendo hoje uma prática adotada em diversos países ao redor do mundo, incluindo o Brasil. a) Existem riscos associados à utilização de alimentos irradiados pelo consumidor? Justifique. b) Qual tipo de radiação deve ser usado para a irradiação de alimentos? c) Exemplifique alguns dos benefícios de tal procedimento? Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 176 R: a) Ainda não foram encontrados riscos associados à irradiação de alimentos. O processo realizado não torna o alimento uma fonte de radiação e pouco altera suas propriedades nutricionais, não acarretando danos à saúde do consumidor. b) Devem ser utilizadas radiações ionizantes, como raios γ, raios X ou feixes de elétrons. Isso se deve ao fato de que a ionização induz a formação de íons capazes de interromper algumas reações biológicas que levam ao apodrecimento dos alimentos, como mudanças conformacionais em enzimas, além de promover a morte de bactérias e fungos. c) Além da eliminação de microorganismo que contribuem no processo de apodrecimento dos alimentos, a irradiação desses aumenta o tempo de armazenamento e reduz o uso de substâncias químicas que deixam resíduos nos alimentos. 117. Elementos radioativos podem emitir tanto matéria como energia. Identifique as possíveis emissões e também as características necessárias para que ocorra cada uma destas emissões. R: Elementos instáveis podem emitir espontaneamente partículas ou energia a partir do núcleo. Elementos que apresentam excesso de energia (ex: Ra 226 e Po 214 ) emitem partículas o, de massa atômica 4 e carga elétrica +2. É altamente ionizante, além de apresentar mínima penetração. Já os elementos que apresentam excesso de nêutrons (ex: C 14 ) podem emitir partículas | - , que apresentam mesma massa e carga do e - . São menos ionizantes do que as partículas o, e apresentam maior poder de penetração. Elementos que apresentam excesso de prótons (ex: C 11 ) podem sofrer transformação por emissão de partículas | + , cuja massa é idêntica ao e - , porém de carga positiva. Sua existência é extremamente curta (10 -9 seg), ocorrendo logo após sua emissão o processo de aniquilamento. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 177 Por fim, elementos que apresentam excesso de energia no núcleo (ex: todos os elementos metaestáveis) podem emitir fótons ¸, altamente penetrantes, porém com pouco efeito ionizante. 118. Os raios-X podem ser utilizados em diagnóstico, a partir das imagens formadas quando a energia incide sobre a matéria. A qualidade da imagem formada depende da absorção da energia associada aos raios-X. a) Diferencie a qualidade da imagem formada quando esta incide sobre tecido ósseo daquele visceral. b) Classifique os raios-X moles e raios-X duros e relacione com seus respectivos comprimentos de onda, energia, poder de penetração e indicações de uso para se radiografarem ossos e tecidos moles. c) Quais as medidas tomadas para evitar os efeitos nocivos da exposição aos raios-X tanto em pacientes quanto em profissionais responsáveis pela manipulação da aparelhagem radiográfica. R: a) O uso de radiações X e também γ para exame de sistemas biológicos se baseia na absorção diferencial dos tecidos: A absorção da radiação aumenta com o aumento da densidade estrutural dos tecidos. Assim, ossos e cartilagens absorvem mais radiação do que músculos, tecido adiposo, vísceras, e dão uma sombra na imagem. Na chapa negativa, eles aparecem mais claros, porque absorvem mais radiação. A pequena absorção observada no parênquima pulmonar se deve à presença de ar. b) Raios-X moles: apresentam maior λ, menor energia, menor poder de penetração, usados para tecidos moles; Raios x duros: apresentam menor λ, maior energia, maior poder de penetração, usados para tecidos duros. c) As diversas formas de proteção utilizam um ou mais desses três princípios: Afastamento máximo entre a fonte e qualquer trabalhador no local de exames, Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 178 minimização da quantidade de radiação emergente e tempo de exposição à fonte. O uso de blindagem tornou-se bastante comum. 119. Diferentes tecidos apresentam diferentes sensibilidades à exposição por radiação, de acordo com suas propriedades. a) Determine os fatores responsáveis por esta sensibilização diferenciada e exemplifique 2 tecidos mais afetados. b) Como os componentes dos tecidos podem ser alterados pelas radiações, e quais os seus efeitos? c) A exposição à radiação é dependente, dentre outros fatores, da dose e do sexo. Descreva como esses dois fatores podem influenciar na determinação de esterilidade nos indivíduos expostos. R: a) A sensibilidade dos tecidos é determinada por: 1- Maior quantidade de água; 2- Maior concentração de DNA; 3- Taxa elevada de reprodução; 4- Baixo grau de diferenciação. Estão entre os tecidos mais sensíveis estão os tecidos neoplásicos, assim como hematopoiético, tecidos das linhagens germinativas e pele. b) Pode haver uma ação indireta pela formação de radicais livres a partir da água (OH*, H*), que são altamente reativos, podendo lesar diversas moléculas fundamentais à célula. Além disso, existem os efeitos diretos sobre o DNA (como mutação, quebra de uma das fitas, formação de dímeros da mesma fita e pareamento inadequado), adicionados à inativação de enzimas e mudanças conformacionais em componentes de membrana. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 179 c) A mulher pode sofrer redução da fertilidade após exposição à radiação, já que os ovócitos não são capazes de se multiplicar por mitose, a fim de recompor a população perdida devido à exposição à radiação. Processo que por sua vez ocorre no homem, onde células primordiais da linhagem germinativa são capazes de gerar novas espermatogônias. Entretanto, devido ao maior índice de replicação das células da linhagem germinativa no homem (células em divisão são mais susceptíveis a danos no DNA), ele poderá ficar completamente estéril quando exposto a uma dose menor de radiação, em comparação a dose necessária para causar o mesmo efeito na mulher. 120. O efeito Compton pode interferir na formação da imagem provocando absorção diferenciada entre as partes dos tecidos, além de aumentar a exposição do profissional que realiza exames de radiografias. Explique como este efeito ocorre e sua influência na formação de radioimagens. R: O efeito Compton ocorre naqueles casos onde a energia da radiação, como a dos raios-X, é superior àquela necessária para ejetar um elétron das camadas mais externas, sendo o excesso de energia desviado na forma de um fóton de menor energia. Tal efeito é prejudicial à formação de radioimagens, visto que esse desvio de energia acaba expondo diferentes áreas dos tecidos a diferentes quantidades de energia, tornando sobrepostas as interfaces entre eles, além de aumentar a exposição do profissional responsável pela realização de exames como na radioscopia. 121. Nos exames de radiografia, a incidência de raios-X nos tecidos pode gerar outras formas de energias secundárias. Explicite quais formas de energias são essas e seus efeitos nas chapas de radioimagens e também nos tecidos. R: Podem ser produzidos raios X secundários devido a seu choque contra os sistemas biológicos, que ao se espalharem prejudicam a imagem. Além disso, elétrons do material irradiado podem absorver energia e saltar para orbitais mais externos. Na volta, a energia é devolvida como luz visível ou UV, que é excitante dos tecidos. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 180 122. Os elementos radiativos têm muitas aplicações. A seguir, estão exemplificadas algumas delas. I. O iodo é utilizado no diagnóstico de alterações da glândula tireóide, e pode ser obtido pela seguinte reação: II. O 11 C pode ser utilizado para avaliação da atividade cerebral, assim como da presença de diversos tumores e suas metástases. Seu decaimento é: III. O fósforo é utilizado na agricultura como elemento traçador (radionuclídeo cujo caminho dentro de um sistema biológico pode ser monitorado) para proporcionar a melhoria na produção do milho, e pode ser obtido pela reação: Sua reação de decaimento é: IV. O radionuclídeo Tecnécio preenche quase todas as características de um radioisótopo para uso diagnóstico, sendo usado na varredura de rins, fígado, cérebro, bexiga e pul mões. Seu tempo de meia-vida é de 6 horas, e seu decaimento é representado abaixo: Quais são as partículas de a, b, c, d e e nas afirmativas I, II, III e IV ? R: c = b= β + a = d = β -1 e= ¸ 123. Estudos mostram que a administração por via intravenosa , como terapia adjuvante à retirada cirúrgica de adenocarcinoma de pulmão estádio III e carcinoma Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 181 epidermóide de pulmão, aumenta a taxa de sobrevida (em 5 anos) dos paciente em 36 e 30% , respectivamente, quando comparado com o tratamento cirúrgico. Se 100mCi de radioisótopo são injetados em um paciente no pós-operatório da ressecção de um desses tumores, quanto do isótopo permanece ativo após 2 semanas se : a) Nenhuma quantidade é eliminada do corpo por meio biológico?(T 1/2 = 2,7 dias) b) Assumirmos que é de 5 dias? R: a) = λ= = 0,255 dias -1 N= N 0 .e -λt N= 100 . e -0,255.(14) N= 2,815mCi b) = λ bio = = 0,138 dias -1 = = 0,138 + 0,255 = 0,393 dias -1 N= N 0 . N= 100 . e -0,393.(14) = N = 0,4 mCi 124. O fósforo radioativo tem como algumas de suas aplicações a detecção de tumores oculares, câncer de pele ou tumores pós-cirúrgicos. Uma amostra de 32 P chegou ao laboratório 12 dias depois de sua preparação. A atividade inicial era de 10 mCi. a) Qual a atividade atual em KBq? b) Qual a quantidade inicial de 32 P, em gramas? R: a) T 1/2 fis ( 32 P) = 14,3 dias ln log A=5,6x10 3 Ci . 3,7x10 10 = A=2,072x10 8 kBq b) 14,3 dias = 343,2 horas = 20.592 min Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 182 10mCi = 2,2.10 10 dpm (vide atividade radioativa no texto) ì= 592 . 20 693 , 0 = 3,36.10 -5 min -1 A 0 = ì . N 0 N 0 = 2,2.10 10 /3,36.10 -5 = 0,654.10 15 átomos 1 mol ----- 6,02 x 10 23 átomos X = 0,108.10 -8 mol X ----- 0,654.10 15 átomos 1 mol ---------------- 32 g 0,108.10 -8 mol----- X X= 3,5 x 10 -8 g 125. Um paciente recebeu uma dose de 131 I e, ao fim de 10 dias, a atividade residual na tireóide era de 12%. Calcule a meia-vida biológica do iodo na tireóide. R: T 1/2 fis ( 131 I) = 8,3 dias. = 0,083 dias -1 ln (0,12) = . 10 = 0,21 λ bio =0,21 – 0,083= 0,127 dias -1 126. O sódio radioativo 24 Na que tem uma meia-vida de 15 horas é enviado de um laboratório para um hospital, gastando no percurso 2 horas. Sabendo-se que sua atividade deve ser de 20 mCi ao chegar ao hospital, calcule a atividade da fonte na saída do laboratório. R: T 1/2 = 15 h t = 2 h A = 20 mCi A 0 = ? A = A 0 e -λt ⇒ 20 = A 0 e -λ .2 λ = 0,693/15 = 0,0462 h -1 Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 183 20= A 0 .e -0,0462.2 A 0 = 20 / e -0,1386 = 20 / 0,91 = A 0 = 21,98 mCi 127. Em 2004, foi noticiado um estudo americano, que, por meio de datação de 14 C, afirmava que um assentamento indígena na Carolina do Sul, EUA, era anterior há até então aceita teoria de que a ocupação das Américas pelo ser humano começou há 13 mil anos. Suponha que tais pesquisadores encontraram restos de carvão, cuja análise revelava uma atividade de 3,6x10 -2 desintegrações/min/g. Quantos anos teriam as amostras coletadas, levando-se em conta que toda madeira viva tem uma atividade de 15,3 desintegrações/min/g e que o tempo de meia-vida do carbono 14 é de 5600 anos? R: λ = 0,693/ T 1/2 =0,693/ 5600 = 1,2 10 -4 anos -1 A = A 0 e -λ t A/A 0 = e -λ t ⇒ ln (0,036/15,3) = ln e - λ t -6= -(1,2.10 -4 ).t t= 50.000 anos. 128. O volume de um fluido extracelular pode ser medido injetando-se sulfato de sódio marcado com 35 S. Certa amostra tem uma atividade inicial de 2 mCi. a) Sabendo-se que este isótopo tem uma meia-vida de 87 dias, calcule a atividade da fonte após 60 dias em Ci e em Bq. b) Após quanto tempo a atividade cai a 0,5 mCi? R: a) A 0 = 2 . 10 -3 Ci T 1/2 = 87 dias t = 60 dias A = ? λ . 87 = 0,693 ⇒ λ = 0,693/87 = 0,00797 dias -1 Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 184 A = A e -λ.t ⇒ A = 2 . 10 -3 e - 0,00797 . 60 ⇒ A = 1,24 . 10 -3 Ci A = (1,24 . 10 -3 )(3,7 . 10 10 ) = A = 4,59 . 10 7 Bq b) T=0 dias A=2mCi T=87 dias A= 1mCi T=174 dias A= 0,5mCi ou 0,5mCi = 25% A 0 ln A/A 0 = - λ.t ln(0,25) = -0,00797.t t = 174 dias 129. Quais características físicas e biológicas de um radioisótopo devem ser avaliadas para utilizá-lo em medicina nuclear? R: Alguns fatores devem ser considerados no uso de radioisótopos: 1- Efeito de massa; já que as reações químicas se processam em velocidades dependentes da massa dos reagentes (ex: H 1 , H 2 , H 3 ). 2- biológico e físico, determinando a quantidade de radioisótopo a ser utilizado. 3- O tipo de radiação produzido; por exemplo, radiação α tem alto poder ionizante, tendo, pois, seu uso restrito. 130. A utilização de marcadores radioativos é um processo trabalhoso, entretanto é utilizado em pesquisa biológica, como, por exemplo, na marcação de enzimas, toxinas e outras moléculas. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 185 a) Nesses casos, o pesquisador deve produzir pequenas ou grandes quantidades dessa molécula marcada? Justifique a sua resposta. b) Um exemplo é radioalbumina para a determinação do volume do compartimento vascular. Descreva como é feito este estudo. c) Para quais outros fins um pesquisador utiliza a marcação isotópica? R: a) O pesquisador deve produzir pequenas quantidades, já que os radioisótopos emitem radiação continuamente, principalmente quando se trata de radi oisótopos com meia-vida relativamente curta. b) Utilizando-se uma amostra de radioalbumina com volume e atividade inicial conhecidos, pode-se fazer uma infusão intravenosa, e, após certo tempo, faz-se uma nova avaliação da atividade, tendo em vista a diluição da amostra no compartimento sanguíneo e, portanto, redução da atividade por unidade de volume. Isso é possível devido ao alto peso da radioalbumina, que não atravessa a parede dos vasos. c) Pode-se utilizar 59 Fe para estudos hematológicos, permitindo avaliar anemias ferroprivas, em que o isótopo é retirado rapidamente da circulação, ou anemias em que há baixa eritropoiese, ficando o metal na circulação por várias horas; utilização de glicose contendo 14 C para verificação de metabolismo celular, ou CO 2 também contendo 14 C para verificar processo de fotossíntese em plantas; datação de substratos orgânicos pela relação 14 C / 12 C; verificação de transmissão nervosa em neurônios e comportamento do sódio em sistemas biológicos utilizando 24 Na; radioimunofluorescência, pesquisa de H. pylori utilizando ureia marcada com 14 C através de teste respiratório, dentre inúmeras outras. 131. Em certa região do interior de Minas Gerais, após um período de seca com grande mortandade de peixes e plantas aquáticas, a população ri beirinha observou grande quantidade de matéria orgânica no rio, e notificou o IBAMA a respeito. Após coleta da água e análise da relação 14 C/ 12 C, o IBAMA concluiu que essa matéria orgânica resultava de uma indústria petroquímica da região, e não da decomposição dos peixes e plantas mortos na seca anterior. Sabendo-se que a relação 14 C/ 12 C é constante Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 186 nos seres vivos e que o tempo de meia-vida do 14 C é de 5600 anos, como o IBAMA chegou a esta conclusão? R: Após morrer, os seres vivos param de incorporar 14 C do meio ambiente e, portanto, a relação 14 C/ 12 C cai exponencialmente. Caso tal matéria orgânica resultasse da decomposição dos peixes e plantas mortos recentemente nesse rio, esperar-se-ia uma relação 14 C/ 12 C praticamente idêntica à dos seres vivos. O IBAMA deve ter encontrado um valor baixo para tal relação, sendo justificado pela presença de material orgânico de milhões de anos, como petróleo (que não sofre a ação dos nêutrons dos raios cósmicos, responsáveis pela transformação 14 N em 14 C nas camadas altas da atmosfera) e que sofre decaimento a milhões de anos. 132. A aproximação de uma amostra de radioisótopo de um tecido hígido por tempo prolongado pode induzir a formação de uma lesão profunda, por meio da interação entre radiação e matéria. a) Explique a formação da lesão pelo radioisótopo. b) Associe esta característica com a possibilidade de utilização de isótopos, como o Rádio, para destruição de tecidos afetados por tumores cancerígenos. c) A braquiterapia é uma modalidade de radioterapia utilizada no tratamento de câncer, como em sarcomas de membros, câncer de próstata, e outros. Defina a braquiterapia e sua indicação terapêutica. d) Quais os elementos radioativos mais utilizados na braquiterapia. e) Identifique as vantagens e desvantagens da braquiterapia. R: a) Radiações ionizantes causam distorções de moléculas estáveis com liberação de espécies quimicamente reativas, alterando moléculas importantes como DNA, enzimas e lipídeos componentes de membrana. Tudo isso pode levar a morte celular, i nduzindo a formação de uma ferida e processo inflamatório. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 187 b) Células tumorais são mais sensíveis, pois geralmente apresentam falhas nos mecanismos de reparo do DNA (podendo ser esta a causa do tumor), além de apresentarem maior atividade mitótica, conferindo-lhes maior susceptibilidade a radiações ionizantes. c) A braquiterapia é um tipo de tratamento na qual o material radiativo é colocado diretamente em contato com o tecido tumoral. Podem ser utilizados tanto implantes temporários ou permanentes, utilizando altas ou baixas doses de radiação. Ela permite irradiar volumes muito pequenos com uma alta dose, além de minimizar os efeitos nos tecidos saudáveis vizinhos, já que à medida que se distancia da fonte radioativa, a dose de radiação decai rapidamente. A braquiterapia pode ser utilizada como método adjunto após radioterapia externa, aumentando-se a dose de radiação no local desejado, ou mesmo como um tratamento exclusivo; de acordo com a doença. d) Ela pode ser feita com vários isótopos, tais como Césio, Iodo, Rádio, Paládio, Ouro e Iridium, sendo umas das principais características avaliadas a radiação emitida e o tempo de meia-vida do radionuclídeo. e) A principal vantagem da braquiterapia é a utilização de altas doses de radiação em um pequeno volume, poupando os tecidos vizinhos e o organismo como um todo. Sua principal desvantagem é a não uniformidade da dose desde que a radiação é muito mais intensa perto da fonte, embora usando muitas fontes possa-se uniformizar a dose. Outra desvantagem se relaciona com a segurança das radiações. O terapeuta deve estar próximo à fonte enquanto elas estão sendo colocadas no local desejado. O paciente é uma "fonte radioativa" durante os dias em que as fontes estão no lugar, e as enfermeiras e outros estarão expostos assim à radiação. 133. A observação da atividade metabólica de grupos celulares ou tecidos pode ser utilizada no diagnóstico por imagem, através de métodos não-invasivos como o PET (positron emission tomography) que permite uma avaliação em tempo real e com grande precisão. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 188 A descoberta de que o análogo da glicose, a fluorodeoxiglicose (FDG, cujo flúor é radioativo) se acumula em diversos tipos de câncer humano devido à fosforilação irreversível pela hexoquinase, sem que este produto siga qualquer caminho metabólico, tem aumentado a utilização do PET como método adjunto no diagnóstico de câncer de mama, pulmão, linfoma, melanoma e outros diversos. a) Explique qual processo físico de interação da radiação e matéria permite a formação da imagem por meio do PET. b) Quais radionuclídeos poderiam ser usados para realização de exames por meio do PET? Justifique. R: a) O PET baseia-se no fenômeno em que o encontro de um elétron (das moléculas adjacentes àquela marcada) com um pósitron (no caso acima emitido pelo FDG marcado) leva a formação de 2 fótons com energia característica de 0,51 MeV e de sentidos opostos, que ao se chocarem em aparatos detectores também em pontos opostos, permitem a formação de uma imagem tridimensional. b) Podem ser usados o F 18 , como no exemplo acima, que emite pósitron e apresenta meia-vida de 110 minutos, ou mesmo N 13 na marcação de amônia (t 1/2 =9,9 min) ou C 11 (t 1/2 = 20,4 min), ambos emissores de β + e elementos comumente presente em moléculas do corpo humano. Além, é claro, da emissão de pósitrons, é necessário que o radinuclídeo apresente tempo de meia-vida pequeno, viabilizando a realização do exame sem tornar o paciente uma fonte emissora de radiação por um longo período de tempo. 134. Pode-se administrar radionuclídeos por via intravenosa ou ingestão a fim de avaliar-se a função de determinados órgãos e tecidos, assim como para tratamento de hiperplasias e tumores. a) Explique qual o principio de tais aplicações. b) Qual fator deve ser essencialmente diferente entre a avaliação do órgão de um indivíduo e o tratamento de tumores? Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 189 c) Identifique a problemática envolvida na radioterapia de hiperplasias e tumores utilizando o método descrito no enunciado da questão, tendo em vista a dose dada ao paciente e a interação deste com outros indivíduos. d) Qual medida pode ser tomada para solucionar a problemática levantada no item c? R: a) Alguns radionuclídeos acumulam-se em determinados tecidos, o que permite a detecção da radiação emitida e avaliação de diversos parâmetros correlacionados a seu metabolismo. Aqueles administrados por via oral não são absorvidos, permanecendo no interior do tubo digestivo. b) A diferença essencial em cada método é a dose de radionuclídeo administrada. Enquanto que para avaliação da função do órgão são utilizadas pequenas doses devido à sensibilidade dos medidores de radiação, para o tratamento de hiperplasias e tumores são utilizadas altas doses a fim de destruírem-se os tecidos hiperplásicos ou tumorais. c) A ingestão de altas doses de radioisótopos torna o paciente uma verdadeira fonte de radiação, além de não ser possível evitar completamente a radiação do tecido saudável em torno do tecido neoplásico. d) O paciente deve ser isolado até a redução da radiação para proteger tanto profissionais de saúde como outras pessoas que poderiam entrar em contato com esse paciente. Deve ser feito também o controle da dose. 135. O acidente radiológico de Goiânia foi um grave episódio de contaminação por radioatividade ocorrido no Brasil. A contaminação teve início em 13 de Setembro de 1987, quando um aparelho utilizado em radioterapias foi furtado das instalações de um hospital abandonado, em Goiânia. O instrumento roubado foi, posteriormente, desmontado e o pó azul reluzente em seu interior (Césio 134 radioativo) foi manipulado por várias pessoas, contaminando-as, além de ruas casas, e causando 4 mortes. Quais seriam os possíveis efeitos agudos e tardios da exposição ao Césio 134 ? R: Os efeitos agudos caracterizam a síndrome aguda da radiação, podendo o paciente apresentar manifestações gastrointestinais como náuseas, vômitos, hemorragia Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 190 digestiva, anorexia, diarréia, etc. Pode haver também febre e apatia, assim como sudorese aumentada e cefaléia. Carcinogênese, envelhecimento precoce, cataratas, depressão do sistema imunológico, e malformações estão entre os principais efeitos tardios da radiação. 136. No ano de 2008, o Ministério da Sáude distribuiu 3900 Testes de Imonofluorescência para o HIV-1, utilizado no diagnóstico confirmatório de HIV em indivíduos positivos no teste de ELISA (usado para triagem) para antígenos virais. a) Qual o princípio da imunofluorescência? b) Qual energia, ou transferência de energia é explorada em tal método? c) Quais as vantagens desse método? R: a) São utilizados fluorocromos como isocianato de fluorosceina e rodamina, dentre inúmeros outros, que absorvem um determinado comprimento de onda e emitem outro geralmente maior (ex: isocianato de fluorosceina que se excita com um comprimento de onda de 450 nm[luz azul] e emite um comprimento de 514 nm), estando estes ligados a um anticorpo anti-Ab virais ou anti-anticorpos contra antígenos virais. No caso do diagnóstico de HIV, são utilizadas luz azul e violeta. b) A excitação de elétrons por absorção de comprimentos de ondas específicos, de modo que, ao retornar a sua camada de origem, há emissão de um comprimento de onda característico daquele fluorocromo. c) Alta especificidade dos anticorpos e alta sensibilidade dos fluorocromos. 137. O filtro solar é uma loção, spray ou produto tópico que ajuda a proteger a pele da radiação ultravioleta do sol, o que reduz as queimaduras solares e outros danos à pele, ultimamente ligado a um menor risco de câncer de pele. a) Explique como a radiação UV pode gerar danos celulares. b) Quais os princípios de proteção pelo filtro solar. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 191 c) A vitamina D é produzida endogenamente por nosso organismo, sendo importante na absorção de cálcio pelo epitélio intestinal. Todavia, a primeira etapa de sua produção requer exposição a raios UV. Explicite o mecanismo bioquímico pelo qual isso ocorre. R: a) Os átomos e moléculas que absorvem a radiação ultravioleta se tornam energizados e em estado de excitação. Essas substâncias participam com mais facilidade de reações bioquímicas, havendo um aumento no ritmo geral das reações de um sistema biológico. Pode também haver aparecimento de novos caminhos metabólicos prejudiciais ao sistema. b) Muitos protetores solares contêm tanto compostos orgânicos que absorvem a luz ultravioleta (como o oxibenzeno) ou um material opaco que reflete a luz (como o dióxido de titânio, o óxido de zinco), ou uma combinação de ambos. c) A Pró-Vitamina D ou 7-dehidrocolesterol é produzida tanto pela derme quanto pela epiderme. A luz ultravioleta entre 290 nm e 315 nm (UVB) conjuga duplas pontes de hidrogênio nos carbonos C5 e C7, produzindo pré-Vitamina D. 138. A energia ultrassônica está entre as mais utilizadas pelo fisioterapeuta, para auxiliar o tratamento das diversas disfunções dos tecidos moles, incluindo contraturas articulares, tendinites, bursites, espasmos musculoesquelético e dor. Qual é o mecanismo de ação do ultrassom terapêutico? R: Existem dois mecanismos: térmicos e não térmicos. Os efeitos térmicos ocorrem devido à conversão de energia cinética em energia térmica nos tecidos. A elevação da temperatura tecidual pode trazer benefícios através de uma vasodilatação local, aumento da atividade metabólica, aumento da extensibilidade do colágeno em estruturas tais como tendões e articulações, alivio de dor e diminuição de espasmos musculares. Já os efeitos não térmicos podem ser gerados pela modificação da posição de partículas intracelulares e extracelulares ou mesmo a configuração normal da célula (microfluxo), afetando a atividade celular. Esse microfluxo tem seu valor, uma vez que sua ação facilita a difusão através da membrana. Dependendo do tipo de célula, a alteração iônica produzida pode desenvolver modificações na motilidade, síntese ou secreção celular, que podem acelerar o processo de reparo. Exercícios Aplicados de Biofísica – Audrey Heloisa Ivanenko Salgado e Colaboradores 192 139. A termoterapia baseia-se na modificação da temperatura dos tecidos biológicos com fins terapêuticos. Sua prática remonta ao tempo de Hipócrates, que já falava dos efeitos benéficos do calor radiante. a) Quais são as reações fisiológicas ao calor nos tecidos e sistemas que justificam sua utilização na terapêutica? b) Em quais casos a termoterapia é indicada? c) Quais são os efeitos maléficos do calor excessivo? R: a) A estimulação por calor no tecido promove a liberação de acetilcolina, o que favorece a vasodilatação e eliminação de produtos indesejáveis do metabolismo e migração de macrófagos. Ainda, por meio de uma ação sistêmica, o calor aumenta o fluxo de sangue circulante, levando a um maior metabolismo celular e consumo de oxigênio e facilitando as trocas hidroelétricas. Há também ação calmante sobre o SNC. b) Doenças inflamatórias das articulações e tendões, estiramentos e contusões musculares, além de processos inflamatórios da pele e de outros. Também promovem relaxamento muscular, efeito sedativo sobre o SNC e aumentam transporte e eliminação de catabólitos pelo aumento do fluxo sanguíneo superficial. c) Queimaduras (destruição celular) e insolação, cãibras musculares, tetania, náuseas e vômitos (todos resultantes da perda excessiva de água e eletrólitos), além de anoxia e trombose (resultante do aumento da viscosidade do sangue).