Fisiologia Humana



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Fisiologia Humana
Organização geral do corpo humano

Um organismo vivo está organizado em pequenas unidades chamadas células. Estas, estão integradas estrutural e funcionalmente. Algumas células são mais especializadas.


Compartimentos:

Os líquidos corporais são encontrados dentro ou fora das células (meio intra e extracelular). O espaço extracelular é dividido em compartimento vascular (ou plasma), e compartimento intersticial (intercelular).

Aproximadamente 65% do peso corporal consistem de água (3/4 são intracelulares).
Homeostase

Para funcionarem perfeitamente, as células necessitam de um meio ambiente constante. O líquido intersticial (derivado da corrente sangüínea) que circunda cada célula, é chamado de meio interno do corpo. Para um bom funcionamento celular, é necessário manter esse meio interno constante.

O termo homeostase define as condições de equilíbrio, que são mantidas por processos fisiológicos coordenados.

Alguns mecanismos de controle homeostático são aqueles responsáveis pela manutenção das concentrações normais dos elementos sangüíneos, da temperatura corporal, do volume e pH dos líquidos corporais, da pressão arterial e da freqüência cardíaca.

Todos os mecanismos de homeostase do corpo, atuam por um processo de feedback negativo. O feedback é um sinal informativo, que expressa o mecanismo utilizado para estabelecer ou manter alguma variável no nível desejado. O feedback é chamado negativo porque a resposta induzida é negativa em relação à alteração inicial.

Regulação das funções

Coordenação do corpo

A coordenação das funções do corpo ocorre por mecanismos internos de regulação. Estes podem ser classificados em: nervoso e hormonal. O sistema nervoso central (SNC) age como um integrado, recebendo mensagens da sua rede de nervos sensitivos e enviando-as, através de seus nervos motores para compensar qualquer distúrbio ou desequilíbrio detectado.

O sistema hormonal é composto por um certo número de glândulas endócrinas, que secretam substâncias químicas chamados hormônios. Estes são transportados dos líquidos extracelulares para todas as partes do corpo, auxiliando na regulação das funções.

O SNC trabalha através de reações rápidas. O S. Endócrino atua por meio de reações de duração mais longa. O S. Endócrino complementa o SNC. O hipotálamo atua na comunicação entre o endócrino.

obs.: o feedback positivo ocorre, por exemplo, no controle de hemorragias (tamponamento plaquetário).
Transporte através da membrana

O transporte através da membrana celular, por meio da bicamada lipídica ou por meio das proteínas, ocorre por dois processos básicos: difusão (ou transporte passivo) e transporte ativo.

Difusão significa o movimento aleatório de substâncias, molécula a molécula, seja pelos espaços intermoleculares da membrana, seja em combinação com uma proteína carreadora.

O transporte ativo é o movimento de íons, ou de outras substâncias, através da membrana, em combinação com uma proteínas carreadora, porém, contra um gradiente de energia.

Todas as moléculas e íons nos líquidos corporais (moléculas de água como as das substâncias dissolvidas), estão em movimentação constante.
Difusão

A difusão através da membrana celular é dividida em: difusão simples e difusão facilitada. Difusão simples significa que o movimento cinético das moléculas ou íons ocorre pelos orifícios ou pelos espaços intermoleculares da membrana, sem necessidade de fixação a proteínas carreadoras. A velocidade ( ou intensidade) dessa difusão é determinada pela quantidade de substâncias disponíveis, pela velocidade do movimento cinético e pelo número de orifícios na membrana celular.

A difusão facilitada exige a interação de proteínas carreadoras com a molécula ou íon, a ser transportado. A proteína carreadora facilita a passagem das moléculas ou íons, através da membrana, por se prenderem quimicamente a eles.

A difusão simples pode ocorrer de duas maneiras: pelos intertícios da bicamada lipídica e por canais aquosos.


Difusão por canais protéicos

Esses canais protéicos tem forma tubular e, vão da extremidade extracelular até a intracelular. Dessa forma, as substâncias passam por difusão simples, de forma direta, de um lado da membrana para outro.

Esses canais protéicos costumam ser seletivamente permeáveis a certas substâncias e, podem ser abertos ou fechados por “comportas”.

A maioria dos canais protéicos é muito seletiva para o transporte de um ou mais íons ou moléculas específicas. Isso acontece devido as características do próprio canal, como seu diâmetro, sua forma e natureza das cargas elétricas ao longo de sua superfície interna.

Um dos mais importantes de todos os canais protéicos, é o canal de sódio (canal rápido). As superfícies internas desse canal são revestidos intensamente por cargas negativas.

Outro grupo de canais protéicos, são os canais de potássio ( canais lentos). Esses canais, caracterizam-se por não terem cargas negativas.

As “comportas” dos canais protéicos são um mecanismo de controle da permeabilidade dos canais. Acredita-se que as comportas sejam projeções da molécula protéica de transporte, que podem abrir ou fechar a entrada do canal, por alterações conformacionais (da forma) da molécula de proteína.

canais leak: são formados por proteínas, que permitem a passagem de moléculas. São geralmente muito específicos.

canais dependentes de voltagem: em estado de repouso, estão fechados. Numa alteração de voltagem da membrana celular esses canais se abrem/fecham rapidamente. O tempo que esse canal permanecerá aberto, varia.

Canais dependentes de receptor: esses canais protéicos são abertos pela fixação de outra molécula à proteína. Isso causa alteração conformacional da molécula protéica, que abre/fecha o canal.

Junções gap: são formados por proteínas (6 conexinas) que formam o conexônio. São junções poucos seletivas e, são importantes durante o estágio de desenvolvimento embrionário.
Difusão facilitada

Também chamada de difusão mediada por carreador. Uma substância transportada dessa forma não pode, na maioria dos casos, atravessar a membrana sem a participação de uma proteína carreadora específica. O carreador facilita a difusão da substância.

A diferença básica entre difusão simples e difusão facilitada é: conforme aumenta a concentração da substância, a velocidade (ou intensidade) da difusão simples aumenta proporcionalmente. Na difusão facilitada há uma limitação na velocidade de passagem (difusão).

Alguns fatores que podem alterar a intensidade efetiva da difusão são: permeabilidade da membrana, coeficiente de difusão, diferença de concentração, efeito do potencial elétrico, diferença de pressão.


Osmose (difusão efetiva de água):

A mais abundante substância a se difundir através da membrana celular é a água.

O processo de movimento efetivo da água, causado por diferença de concentração (da própria água) é chamado de osmose.

Pressão osmótica: é a força que puxa água de uma solução concentrada.

A pressão osmótica exercida pelas partículas de uma solução (moléculas ou íons), é determinada pelo número de partículas / volume unitário do líquido.

Cada partícula em solução, independentemente de sua massa, exerce a mesma quantidade de pressão sobre a membrana. Ou seja, todas as partículas estão se chocando umas com as outras, em média com a mesma energia.

O fator que determina a pressão osmótica de uma solução é a concentração da solução em termos do número de partículas e, não em função da massa do soluto.

. osmolaridade: é a concentração osmolar expressa em osmóis por litro de solução.


Transporte ativo

Quando a membrana celular transporta molécula ou íons contra a corrente, contra um gradiente de concentração, o processo é chamado transporte ativo.

Entre as substâncias que são ativamente transportadas através da membrana temos: os íons sódio, potássio, cálcio, ferro, hidrogênio, vários açúcares diferentes e a maior parte dos aminoácidos.

O transporte ativo é dividido em dois tipos, de acordo com a fonte de energia usada para provocar o transporte. São eles, o transporte ativo primário e o secundário.

No transporte ativo primário, a energia é derivada da degradação de ATP ou de algum outro composto de fosfato com alta energia.

No transporte ativo secundário, a energia deriva da energia que foi armazenada sob a forma de diferenças de concentração iônica, criadas por transporte ativo primário.

O transporte ativo também depende de proteínas carreadoras. Estas, neste caso, são capazes de transferir energia para a substância transportadora, movendo-a contra o gradiente eletroquímico.
Transporte ativo primário

A bomba de sódio e potássio: é um processo de transporte que bombeia os íons sódio para fora e, ao mesmo tempo, bombeia os íons potássio de fora para dentro da célula. Essa bomba existe em todas as células do corpo e é a responsável pela manutenção das concentrações de sódio e potássio através da membrana celular, bem como o estabelecimento do potencial negativo intracelular.

A proteína carreadora é um complexo formado por duas proteínas globulares distintas: uma maior, chamada de subunidade ( e, outra menor, chamada de subunidade (. Esta última possui características importantes para o funcionamento da bomba: possui 3 sítios receptores para a fixação de íons sódio (na parte protéica que se projeta para o interior da célula); tem 2 sítios receptores para os íons potássio, em sua parte externa; a porção interna dessa proteína próxima aos sítios de fixação de sódio (Na+), possui atividade ATPásica.
Funcionamento da bomba: quando 3 íons sódio se fixam à parte interna da proteína carreadora, a função ATPásica (da mesma) é ativada. Uma molécula de ATP é quebrada em ADP, havendo liberação de energia. Essa energia é usada para provocar alteração conformacional na molécula da proteína carreadora, levando os íons sódio para o exterior e trazendo os íons potássio para o interior da célula.

Uma das funções mais importantes da bomba é controlar o volume das células. Sem o funcionamento dessa bomba, as células do corpo iriam inchar até estourar.

Outro mecanismo importante de transporte ativo primário é a bomba de cálcio. Os íons cálcio são mantidos em concentrações baixas no citosol intracelular de praticamente todas as células do corpo.

Transporte ativo secundário

Quando íons sódio são transportados para fora das células por transporte ativo primário, há um grande gradiente de concentração de sódio (concentração aumenta fora da célula e diminuiu em seu interior). Esse gradiente representa armazenamento de energia. Em condições apropriadas, essa energia de difusão do sódio pode, atrair outras substâncias (junto com o próprio sódio) através da membrana celular. Esse fenômeno é chamado de co-transporte.

No contratransporte, os íons sódio tentam difundir-se para dentro da célula, devido ao seu aumento no gradiente de concentração. O íon sódio fixa-se à proteína carreadora (na sua projeção para a superfície externa da membrana), enquanto a substância a ser contratransportada se fixa às projeções internas da proteína carreadora. Ocorre uma alteração conformacional, com a energia do íon sódio movendo-o para o interior, fazendo com que, ao mesmo tempo, a outra substância passe para o exterior.


POTENCIAL DE MEMBRANA

Existem potenciais elétricos através das membranas de todas as células do corpo. Algumas células, como as neurais e as musculares, são “excitáveis” , ou seja, são capazes de autogeração de impulsos eletroquímicos em suas membranas.

O potencial de membrana é a diferença elétrica entre o meio intra e extracelular.
Potenciais de membrana, resultantes da difusão:

Graças ao grande gradiente de concentração do potássio de dentro para fora, há uma forte tendência para que os íons potássio se difundam para o exterior. Essa difusão é auxiliada pelos canais leak de sódio e potássio, que são muito mais permeáveis ao potássio. Devido à saída de muitas cargas positivas, o exterior da célula fica carregado eletropositivamente, o interior da célula fica carregado eletronegativamente. Essa diferença de potencial ( + fora, - dentro), repele os íons potássio (que estão se difundindo para fora) na direção oposta; de fora para dentro. Essa alteração do potencial, é suficiente para bloquear qualquer difusão para o exterior, devido ao alto gradiente de concentração do íon potássio.

A bomba de sódio e potássio ajuda a manter a diferença de concentração entre sódio Na+ e potássio K+.

O potencial de membrana depende da bomba e dos canais leak.

Quando a membrana for permeável a vários íons diferentes, o potencial de difusão estabelecido, depende de 3 fatores: da polaridade da carga elétrica de cada íon, da permeabilidade da membrana a cada íon e das concentrações dos íons respectivos dentro e fora da membrana.

A bomba de sódio e potássio é uma bomba eletrogênica, porque um número maior de cargas positivas é bombeado para fora do que para dentro da fibra nervosa.

Gradientes químicos: referentes a concentrações.

Gradientes eletroquímicos: faz com que o potássio permaneça na célula.

O equilíbrio dinâmico se estabelece quando o número de cargas elétricas que sai é o mesmo que entra.

A bomba de sódio e potássio, mantém o volume celular. Ela mantém mais sódio fora do que potássio dentro.

A bom eletrogênica de sódio e potássio mais o papel da difusão, estabelecem um potencial de membrana de aproximadamente – 90mV.
POTENCIAL DE AÇÃO

Os sinais nervosos são transmitidos por potenciais de ação, que são variações rápidas do potencial de membrana. Cada potencial de ação começa por uma alteração abrupta do potencial de repouso (negativo), para um potencial de membrana positivo, retornando depois, rapidamente, ao potencial negativo.


Etapas do potencial de ação:

Estado de repouso: corresponde ao potencial de repouso da membrana, antes que comece o potencial de ação. A membrana está “polarizada”, devido o grande potencial negativo da membrana.

Etapa de despolarização: a membrana fica permeável aos íons sódio, permitindo o fluxo destes (em grande quantidade) para o interior da célula. O estado polarizado de –90mV, desaparece, com o potencial variando no sentido positivo. Isso é chamado de despolarização.

Etapa de repolarização: após a membrana ficar muito permeável ao sódio, os canais deste íon começam a se fechar, enquanto os canais de potássio se abrem mais do que o normal. Há a rápida difusão de íons potássio para o exterior, o que restabelece o potencial normal (negativo) de repouso da membrana. Isso é chamado de repolarização da membrana.

Canais de sódio e potássio dependentes de voltagem:

O agente necessário para a produção da despolarização e da repolarização da membrana, é o canal de sódio dependente de voltagem. O canal de potássio dependente de voltagem, tem participação no aumento da velocidade de repolarização da membrana. Esses canais dependentes de voltagem atuam junto com a bomba de sódio e potássio e com os canais de vazamento (sódio/potássio).

Ativação do canal de sódio: quando o potencial de membrana varia de –90mV para zero, ele atinge uma voltagem entre –70 e –50mV. Essa variação provoca alteração conformacional da comporta de ativação, abrindo-a. Durante este estado há um aumento da permeabilidade da membrana ao sódio.

Inativação dos canais de sódio: após o canal de sódio ficar aberto por certo tempo, ele se fecha e os íons sódio não podem mais passar para dentro da membrana. Então, o potencial de membrana começa a voltar ao estado de repouso, o que constitui o processo de repolarização.

Canais de potássio dependentes de voltagem e sua ativação: durante o estado de repouso, a comporta do canal de potássio está fechada e, os íons potássio ficam impedidos de passar para o exterior. Quando o potencial de membrana varia de –90mV em direção ao zero, essa variação produz uma alteração (lenta) conformacional, abrindo a comporta e permitindo a difusão de maior quantidade de potássio para o exterior. Os canais lentos de potássio só se abrem após o fechamento dos canais rápidos de sódio.

A diminuição do fluxo de sódio para dentro da célula e o aumento, simultâneo, do fluxo de potássio para fora da célula, aceleram a repolarização, levando à recuperação do potencial de repouso da membrana.


O platô de alguns potenciais de ação:

A causa do platô é uma combinação de vários fatores. Primeiro, dois tipos de canais atuam no processo de despolarização: os canais rápidos de sódio e os lentos de cálcio (permitem a difusão de íons cálcio e, também, de alguns íons sódio). A abertura dos canais rápidos produz o componente rápido do potencial de ação, enquanto a abertura dos canais lentos é a principal responsável pela parte do platô do potencial de ação.

Um segundo fator, responsável às vezes, pelo platô, é a abertura (mais lento que o usual ) dos canais de potássio. Eles se abrem, geralmente, próximo ao fim do platô. Isso retarda o retorno do potencial de membrana ao seu valor de repouso.

CONTRAÇÃO MUSCULAR

Anatomia do músculo esquelético:

O sarcolema é a membrana celular da fibra muscular. O sarcolema (ou membrana plasmática ) possui um revestimento externo e é composta por fina camada de material polissacarídeo, contendo numerosas fibrilas delgadas de colágeno.

Miofibrilas (filamentos de actina e miosina): cada fibra muscular contém muitas miofibrilas. Cada miofibrila, contém, dispostas lado a lado, milhares de filamentos de miosina e actina. Os filamentos de miosina são grossos e os de actina são finos. Os filamentos de miosina e de actina ficam parcialmente interdigitados, o que faz com que a miofibrila apresente faixas claras e escuras. As faixas claras contém apenas os filamentos de actina e, as faixas escuras contém os filamentos de miosina e, as extremidades dos filamentos de actina, que se entremeiam com os de miosina.

Sarcoplasma: as miofibrilas estão suspensas no interior da fibra muscular, em uma matriz chamada de sarcoplasma. O líquido do sarcoplasma contém grande quantidade de potássio, magnésio, fosfato e enzimas protéicas. Também há um grande número de mitocôndrias, situadas entre as miofibrilas. Essas mitocôndrias indicam a necessidade das miofibrilas, de quantidades elevadas de ATP (formada pelas mitocôndrias).

Retículo sarcoplasmático: possui organização especializada, muito importante para o controle da contração muscular. Os músculos de contração mais rápida apresentam o retículo sarcoplasmático (RS) muito extenso.

Cerca de 40% do corpo são compostos por músculo esquelético e, outros 10% por músculo liso e cardíaco.


Mecanismo geral da contração muscular:

Etapas da contração muscular:

Um potencial de ação trafega ao longo de um nervo motor até suas terminações nas fibras musculares.

Em cada terminação, o nervo secreta pequena quantidade de neurotransmissor (acetilcolina).

Essa acetilcolina atua sobre a membrana da fibra muscular, abrindo vários canais acetilcolina-dependentes dentro de moléculas protéicas na membrana da fibra muscular.

A abertura dos canais de acetilcolina permite que grande quantidade de íons de sódio flua para dentro da membrana da fibra muscular (na região do terminal neural). Isso desencadeia um potencial de ação na fibra muscular.

O potencial de ação se propaga ao longo da membrana da fibra muscular.

O potencial de ação despolariza a membrana da fibra muscular e, passa para o interior da fibra muscular, onde estimula o retículo sarcoplasmático a liberar grande quantidade de íons cálcio para as miofibrilas.

Os íons cálcio provocam forças atrativas entre os filamentos de actina e miosina, fazendo com que eles deslizem entre si, o que constitui o processo contrátil.

Os íons cálcio são bombeados de volta para o retículo sarcoplasmático, onde ficam armazenados até um novo potencial de ação chegar. Essa retirada dos íons cálcio das miofibrilas, finaliza a contração.


Mecanismo molecular da contração muscular:

A contração muscular ocorre por um mecanismo de deslizamento dos filamentos. Quando um potencial de ação passa pela membrana da fibra muscular, estimula o retículo sarcoplasmático libere grandes quantidades de íons cálcio, que rapidamente, chegam as miofibrilas. Esses íons cálcio ativam as forças entre os filamentos de miosina e de actina, iniciando a contração. Mas, é necessária energia para a realização do processo contrátil. Essa energia deriva das ligações ricas em energia do ATP, que é degradado em ADP para liberar energia.

Características moleculares dos filamentos contráteis:

O filamento de miosina: este filamento é formado por muitas moléculas de miosina. A molécula de miosina é formada por 6 cadeias polipeptídicas (duas cadeias pesadas e quatro cadeias leves). As cadeias leves se dobram, formando uma estrutura polipeptídica globular, chamada de cabeça da miosina. O comprimento total de cada filamento da miosina é uniforme.

O filamento de actina: este filamento é formado por 3 componentes protéicos: actina, tropomiosina e troponina. O filamento de actina é uma molécula protéica com duas cadeias de actina-F. Essas duas cadeias são enroladas em hélice.

Cada cadeia de dupla hélice de actina-F é formada por moléculas polimerizadas de actina G. Presa a cada uma dessas moléculas de actina G, está uma molécula de ADP. Acredita-se que essas moléculas de ADP sejam os sítios ativos com que interagem os filamentos de miosina para que haja a contração muscular.

Tropomiosina: são frouxamente presas às cadeias de actina-F. No estado de repouso, as moléculas de tropomiosina, ficam sobre os sítios ativos das cadeias de actina, impedindo a atração entre os filamentos de actina e miosina para produzir contração.

Troponina: presa a uma das extremidades de cada molécula de tropomiosina, está uma molécula de troponina. Ela é um complexo de 3 subunidades protéicos, cada uma com certa função no controle da contração muscular. A troponina I tem forte afinidade pela actina; a troponina T pela tropomiosina e a troponina C tem afinidade por íons cálcio. Acredita-se que esse complexo fixe a tropomiosina à actina.


Interação dos filamentos de miosina e actina e os íons cálcio para produzir a contração:

Um filamento de actina, sem a presença do complexo troponina-tropomiosina, reage com as cabeças das moléculas de miosina, em presença de ATP. Caso seja adicionado o complexo troponina-tropomiosina, essa fixação não ocorre. Acredita-se que os sítios ativos no filamento de actina sejam inibidos, ou recobertos, pelo complexo troponina-tropomiosina. Consequentemente, esses sítios não podem se fixar às cabeças dos filamentos de miosina para provocar a contração.

Na presença de grande quantidade de íons cálcio, o efeito inibidor da troponina-tropomiosina sobre o filamento de actina é inibido.

Quando os íons cálcio se combinam com a troponina C, o complexo de troponina passa por alteração conformacional, puxando a molécula de tropomiosina , “descobrindo” os sítios ativos da actina, permitindo que ocorra a contração.


Interação entre o filamento “ativado” de actina e miosina:

Assim que o filamento de actina é ativado pelos íons cálcio, as cabeças dos filamentos de miosina se prendem aos sítios ativos do filamento de actina , e isso, resulta em contração. A cabeça de miosina fixa-se ao filamento de actina e se desloca, tracionando o filamento. Após esse movimento, a cabeça se solta do sítio ativo e retorna a sua posição perpendicular. Nessa posição, ela se fixa a um novo sítio ativo, a cabeça volta a se inclinar fazendo com que o filamento de actina avance mais um pouco. Quanto maior o número de pontes (de cabeças de miosina) em contato com o filamento de actina, maior será a força de contração.


ATP como fonte de energia para contração:




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