Introdução – Prof. Cristina Sena Homeostase
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Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução Introdução – Prof. Cristina Sena - a fisiologia humana é o estudo de como o corpo humano funciona, com ênfase em mecanismos específicos de causa-efeito; o conhecimento desses mecanismos foi obtido experimentalmente através de aplicações do método científico - os diferentes níveis de hierarquia da natureza são estudados por diversas disciplinas (incluindo a fisiologia): os átomos dão origem às moléculas; as moléculas originam células que, após divisão, crescimento e diferenciação celular dão origem a tecidos; estes dão origem a órgãos, que se organizam em sistemas de órgãos que originam organismos; estes dão origem a uma espécie de população; as várias espécies originam ecossistemas de diferentes tipos de espécies e os ecossistemas organizam-se na biosfera - existem 10 sistemas de órgãos no nosso organismo, com diferentes funções, sendo que todos eles estão inter-relacionados : sistema circulatório, respiratório, digestivo, urinário, músculo-esquelético, imunitário, nervoso, endócrino, reprodutor, intergumentar - dos dez, há quatro sistemas em contacto directo com o exterior: urinário, reprodutor, respiratório e digestivo Ö para sua protecção, estão revestidos pelo epitélio de revestimento - factores como a humidade e temperatura são muito importantes no funcionamento das células - para compreendermos a fisiologia humana, é necessário, primeiramente, conhecermos alguns conceitos e mecanismos básicos Homeostase - as células individuais não são tolerantes a grandes variações Ö assim sendo, o organismo mantém a composição do meio extracelular com pequenas variações, de modo a manter o funcionamento celular apropriado Ö homeóstase - assim sendo, a homeóstase é a manutenção do meio interno dentro de uma determinada gama de valores Ö deste modo, existem mecanismos homeostáticos que funcionam como uma resposta coordenada do organismo a variações, de modo a manter a estabilidade interna -2- Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução - postulados de Cannon : o sistema nervoso regula todas os mecanismos homeostáticos do organismo há necessidade de controlo tónico dos nossos parâmetros (que necessitam de ser regulados) há necessidade de controlo antagónico - existem dois métodos de regulação do meio interno: resposta a nível local – ocorre localmente, em resposta a estímulos das células arcos reflexos – resulta de respostas reflexas Ö passam para locais mais longínquos - o controlo dos parâmetros homeostáticos pode ser: controlo tónico – controlo muito rigoroso com um único sinal, em que a frequência de um sinal tónico normalmente determina a magnitude da resposta fisiológica; Exemplo: diâmetro dos vasos sanguíneas está sob controlo tónico – aumentando a frequência do sinal neuronal, promove a vasoconstrição e à medida que a frequência decresce, ocorre a vasodilatação (regulação do calibre) controlo antagónico – controlo através de moduladores positivos e moduladores negativos; Exemplo: frequência cardíaca é controlada por sistemas neuronais antagónicos – sinais simpáticos aumentam a frequência cardíaca, sinais parassimpáticos diminuem a frequência cardíaca consoante o o receptor ao qual se ligue o sinal químico, este pode induzir diferentes efeitos, em diferentes tecidos do organismo - feedback negativo – via onde a resposta celular contraria ou remove o estímulo inicial Ö estabiliza o parâmetro a regular Ö homeostasia Exemplo de um Mecanismo de Feedback Negativo Estímulo Resposta Feedback Negativo descida da temperatura da água o aquecedor liga temperatura conduz ao desligar do aquecedor -3- Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução Exemplo de um Mecanismo de Feedback Negativo – Controlo da Secreção Humoral ingestão de alimentos aumenta glicose sanguínea aumenta secreção de insulina aumenta Feedback Negativo entrada de glicose no sangue diminui glicose sanguínea - feedback positivo – destabiliza o sistema aumentando o estímulo em vez de o diminuir ou remover Ö não é homeostático Exemplo de um Mecanismo de Feedback Positivo – Trabalho de Parto pressão do feto contra cervix desencadeia libertação de oxitocina provoca Feedback Positivo fortes contracções uterinas leva a que feto exerce uma pressão superior Sinalização Celular - ligandos ligam-se a receptores membranares e induzem uma resposta intracelular VER CADERNO BCMDH II (não me parece mto importante) -4- Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução Compartimentalização Celular - diferentes processos ocorrem em diferentes locais, permitindo assim uma maior eficiência nas diferentes actividades Composição Química do Organismo - o corpo humano é, basicamente, constituído pela combinação de quatro átomos (elementos) : O (oxigénio), C (carbono), H (hidrogénio) e N (azoto) - a combinação destes elementos resulta numa grande variedade de compostos químicos; destes, os mais importantes para as células de mamífero são os hidratos de carbono, as gorduras (lípidos), as proteínas e os ácidos nucléicos Distribuição de Solutos nos Fluidos Corporais e Transporte de Solutos Composição dos Fluidos Corporais - os fluidos corporais podem ser: intracelulares (67%) e extracelulares, podendo estes últimos ser plasma (25%) ou fluido intersticial (8%) - o fluido intracelular é constituído pelas biomoléculas e por outros iões (K+e Na+) - o plasma é composto por proteínas, iões (Na+, K+, Cl- e Ca2+) - o fluido intersticial é constituído pelos iões Na+, K+, Cl- e Ca2+ - estes iões e biomoléculas, bem como todas as outras substâncias que constituem os fluidos, são solutos que passam através de membranas, sendo assim transportados de uns fluidos para outros (p.e.: do fluido intracelular, para o fluido extracelular, como é o caso do Na+) Dinâmica Membranar - a selectividade da membrana celular (dinâmica membranar) permite aos compartimentos intracelular e extracelular possuir propriedades químicas e eléctricas diferentes, para além de regular as trocas -5- Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução - a bicamada lípidica, cuja parte polar está voltada para o exterior, é permeável a certas substâncias (gases, água, moléculas polares pequenas e sem carga) e impermeável a outras (moléculas polares grandes e sem carga, iões, moléculas polares carregadas) assim, esta selectividade membranar e a existência de proteínas membranares transportadoras permite às células manter uma composição interna que é muito diferente da composição do fluido extracelular Transporte de Solutos - os solutos podem ser transportados através da membrana de diversas formas: difusão simples – processo simples em que as partículas de um soluto atravessam a membrana, passando de regiões onde a concentração desse soluto é maior, para regiões onde a concentração é menor, com tendência de as igualar Ö diz-se, portanto, que esta difusão ocorre segundo gradiente de concentração, não havendo gasto de energia; a taxa de difusão através da membrana depende da solubilidade dessa substância na membrana e é directamente proporcional à área de superfície da membrana e ao gradiente de concentração e inversamente proporcional à espessura e resistência da membrana difusão facilitada – a superfície da membrana plasmática possui proteínas especiais que reconhecem e transportam partículas (de maiores dimensões que no caso na difusão simples) através da membrana, segundo gradiente de concentração (de onde existem em maior concentração para onde existem em menor concentração) Ö é um processo de facilitação em que não há gasto de energia transporte activo – as partículas movem-se contra o seu gradiente de concentração Ö é portanto um mecanismo que necessita de energia -6- Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução - o transporte de um ião ou molécula carregada através da membrana plasmática é condicionada pelo gradiente electroquímico: potencial de membrana carga da molécula ou ião gradiente de concentração + - o Na existe em maior concentração no fluido extracelular e o K+ no fluido intracelular Ö assim sendo, segundo gradiente de concentração, o Na+ teria tendência a entrar na célula e o K+ de sair - para que tal não ocorra e as concentrações se mantenham (Na+intracelular < Na+extracelular e K+intracelular > K+extracelular) é necessário que ocorra transporte activo, sendo tal possibilitado pela bomba Na+/K+ - a bomba Na+/K+ é uma ATPase que serve como transportador; esta ATPase tem grande afinidade por Na+ e também por K+, de modo que inicia o processo unindo-se a três moléculas de Na+ no interior da célula; na face exterior da membrana, a molécula de Na+ é libertada, ficando impossibilitada de regressar à célula, apesar do gradiente de concentração - simultaneamente, duas moléculas de K+ ocupam o lugar do sódio e são, por sua vez, transportadas para o interior da célula, onde são libertadas, iniciando-se um novo ciclo de transporte Nota: passagem por difusão do sódio e do potássio nos sentidos dos gradientes existem, porém, em quantidades muito menores que o processo ativo mencionado - a bomba de Na+é importante em todas as células de mamíferos e desempenha um papel fundamental na regulação do meio intracelular - a bomba Na+/K+ é inibida, extracelularmente, pelo glicósido oubaína -7- Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução - em suma, o transporte de moléculas e iões pode ser: passivo simples - transporte segundo gradiente de concentração, sem gasto de energia, onde as partículas atravessam a membrana, sem necessidade de transportadores facilitada - transporte segundo gradiente de concentração, sem gasto de energia, sendo o transporte mediado por proteínas ou transportadores activo primário – os transportadores ligam as partículas a transportar numa face da membrana, onde ocorrem alterações conformacionais e libertam a partícula transportada na outra face da membrana, contra o gradiente de concentração, com gasto de energia (hidrólise de ATP) secundário – alguns transportadores utilizam o gradiente iónico da bomba de Na+ para fornecer energia para o movimento da partícula contra o seu gradiente de concentração Osmose - a osmose é um fenómeno em que um meio menos concentrado (menos soluto) cede água rapidamente ao meio mais concentrado (mais soluto) através de membranas semipermeáveis (permeáveis a água mas relativamente inpermeáveis ao soluto) Ö é um tipo de transporte passivo, sem gastos de energia para a célula - a água move-se livremente entre os compartimentos do nosso organismo Ö os compartimentos estão em equílibrio osmótico - por outras palavras, na osmose há passagem do solvente de onde em maior quantidade (solução hipotónica) para onde está em menor quantidade (solução hipertónica) - a pressão osmótica é a pressão que deve ser aplicada à solução para impedir a passagem do solvente através da membrana semipermeável -8- Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução - quando duas soluções, com diferentes concentrações são separadas num mesmo recipiente por uma membrana semipermeável, ocorre, espontaneamente, a passagem da água da solução de maior concentração no sentido da solução menos diluída, até que ocorra o equilíbrio Ö neste ponto de equilíbrio, a coluna de solução menos concentrada estará relativamente, abaixo da coluna do lado da solução mais diluída Ö para que não ocorresse movimento de água através da membrana, era necessário aplicar uma força no lado para o qual a água fluiria), correspondendo a pressão osmótica a essa pressão exercida - a tonicidade é o efeito de uma solução (especialmente, uma com solutos nãopermeáveis) sobre o volume das células (2) (1) (3) uma solução hipertónica faz a célula perder água, diminuindo seu volume Ö plasmólise uma solução hipotónica faz a célula aumentar de volume Ö lise celular solução isotónica quando não causa mudança no volume da célula -9- Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução Movimento de Moléculas através do Epitélio - as células do epitélio são polarizadas : de um lado têm a membrana apical, que faz face ao lúmen do órgão e do outro lado a membrana basolateral, que está voltada para o fluido extracelular - diferentes proteínas estão presentes nas duas membranas, com propriedades distintas de transporte Ö a polarização permite transporte direccional - exemplo: a glicose e os aminoácidos provenientes da dieta alimentar têm que ser transportados do lúmen para o sangue, uma vez que são necessários para produção de energia Ö esse transporte é efectuado pelos enterócitos, células que revestem a superfície do intestino delgado por vezes, é necessário estas células promoverem o transporte dessas susbstâncias, em condições em que a sua concentração é mais baixa no lúmen do que no sangue entre duas células epiteliais existem junções fortes (zonas de oclusão), que são locais impermeáveis a glicose e pequenos solutos Ö para serem absorvidas, estas substâncias têm que passar através da célula Ö absorção transcelular existem diferentes sistemas de transporte na membrana apical e na membrana basolateral: Ö Membrana Apical : simporte (simultaneamente, glicose da dieta e Na+ provenientes do lúmen, atravessam a membrana, entrando na célula) Ö Membrana Basolateral : uniporte (glicose que vem da célula atravessa a membrana em direcção ao sangue) e bomba Na+/K+ (restabelece o gradiente de Na+, em que sai Na+ para o sangue e entra K+) - 10 - Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução Endocitose - a endocitose é um processo de transporte de moléculas grandes, que há a inclusão de material por invaginação da membrana plasmática; existem dois processos de endocitose: a pinocitose e a fagocitose Pinocitose - processo pelo qual a célula, graças às delgadas expansões do citoplasma, engloba gotículas de líquido Ö formam-se, assim, vesículas pinocíticas contendo líquido Ö o conteúdo das vesículas é transferido a pouco e pouco para o hialoplasma, tornando-se as vesículas, sucessivamente, mais pequenas até desaparecerem; muitas células exibem esse fenómeno, como, por exemplo, os macrófagos e as células dos capilares sanguíneos Fagocitose - processo pelo qual a célula, graças à emissão de prolongamentos, pseudópodes, engloba, no seu citoplasma, partículas sólidas Ö a partícula é englobada gradualmente pelo pseudópode, formando-se uma vesícula fagocítica (fagossoma), que se destaca e penetra no hialoplasma, onde se funde com lisossomas, formando os fagolisossomas, que serão capazes de digerir o material absorvido (os compostos úteis são transportados para o citoplasma; o material não digerido permanece nas células como partículas ligadas à membrana – corpos residuais); nos mamíferos, a fagocitose ocorre em células especializadas, os fagócitos; no nosso organismo, a fagocitose ocorre nos neutrófilos do sangue e nos macrófagos - a endocitose é mediada por receptores, ocorrendo em depressões cobertas pela proteína clatrina : os receptores reconhecem as substâncias e ligam-nas Ö o complexo ligando-receptor migra para depressões cobertas por clatrina Ö membrana forma uma vesícula Ö posteriormente, a clatrina e a membrana são recicladas - 11 - Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução Exocitose - a exocitose é o processo inverso da endocitose, através do qual a célula pode expulsar para o exterior substâncias/moléculas grandes - o potencial de membrana de uma célula é uma importante variável fisiológica que controla muitos processos celulares, nomeadamente, a secreção de moléculas sintetizadas pelas células para o meio extracelular Ö essa secreção pode ocorrer de das formas: por difusão simples (só é possível a moléculas que permeiem a membrana celular) ou por exocitose ( as moléculas polares estão empacotadas em vesículas secretoras que se fundem com a membrana plasmática, libertando, posteriormente, o seu conteúdo para o espaço extracelular ) - a exocitose envolve vários passos: formação de vesículas (sintetizadas no Retículo Endoplasmático Rugoso) acoplamento com a membrana fusão com a membrana plasmática Secreção Constitutiva (contínua) Secreção Regulada (resposta a um sinal específico – Ca2+) recuperação da vesícula vazia por endocitose Potencial de Repouso - as células, em repouso, possuem uma concentração alta de potássio no seu interior, devido à bomba de Na+/K+, sendo as suas membranas, essencialmente, permeáveis a K+ - como por cada três iões Na+ que passam para o exterior, entram dois iões para o interior, o interior de célula é sempre negativo em relação ao exterior Ö a diferença de potencial através da membrana, ou seja, o potencial da membrana, é gerada por difusão dos iões K+ e por separação de carga Ö em repouso, os potenciais de membrana de um neurónio são -70mV ( o potencial de membrana é medido em Volts ou milivolts) - 12 - Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução - o potencial de membrana devido à difusão de um só ião é dada pela equação de Nerst; assim sendo, para o K+: EK = [ ] [ ] RT K + ln + zF K 0 = 26,7.ln i 4 = −96,8mV 150 - contudo, as membranas celulares também são permeáveis a outros iões, sobretudo Na+ e Cl-; assim sendo, a equação de Goldman entra em consideração com esse facto: Vm = [ ] [ ] [ [ ] ] [ ] [ ] RT p ' K K + 0 + p ' Na Na + 0 + p ' Cl Cl − ln ' F p K K + i + p ' Na Na + i + p ' Cl Cl − 0 i onde: p’ = permeabilidade - a excitabilidade é a capacidade de gerar potenciais de acção - a despolarização corresponde à fase em que o potencial da membrana aumenta (tornase positivo), por abertura dos canais de sódio e consequente entrada deste ião - a hiperpolarização corresponde à fase em que o potencial da membrana se torna ainda mais negativo do que o potencial em repouso - a overshoot corresponde ao momento em que o potencial de membrana ultrapassou os 0mV - a repolarização corresponde à fase em que o potencial da membrana diminui (tornase ainda mais negativo que inicialmente), por abertura dos canais de potássio e inactivação dos canais de sódio - o threshold é o valor de potencial necessário para gerar potenciais de acção Potencial de Acção - um pontencial de acção é uma breve despolarização de membrana, que se propaga, ou seja, é conduzida sem decréscimo, ao longo de uma membrana excitável - o potencial de acção apresenta as seguintes propriedades: é um processo de tudo ou nada - é independente do tipo de estímulo que o provocou ou de qualquer outra situação simultânea; o estímulo precisa sim de despolarizar para um limiar de voltagem (normalmente, 15 mV positivos relativamente ao potenical de repouso) para que o potencial de acção seja activo têm amplitude constante - sempre da mesma intensidade uma vez que que os potenciais de acção não se podem somar, sendo a informação codificada por frequência e não por intensidade - 13 - Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução têm início por despolarização - quando alcançado o limiar de activação, produz-se a abertura de "canais" de cálcio na membrana celular; esta entrada de Ca2+ produz a abertura de canais de Na+, entrando este para o citoplasma Ö potencial de membrana positivo Nota : os potenciais de acção podem ser induzidos em músculos e nervos por estimulação extrínseca envolvem alterações de permeabilidade – permitindo a passagem de iões (pela abertura dos seus canais específicos) dependem de canais iónicos sensíveis à voltagem – para que os canais de passagem dos iões abram, é necessário que esses canis sejam sejam sensíveis e abram em resposta a esta têm velocidade de condução constante – em cada fibra a velocidade de propagação é constante; a velocidade de propagação varia de fibra para fibra: fibras com diâmetro grande conduzem mais rapidamente do que as fibras com diâmetro menor; a presença de mielina (bainha que reveste o axónio) também é importante na maior ou menor velocidade de propagação Fluxo do Na+ durante potencial de acção e potencial de membrana (1) (3) (2) (4) (1) – o potencial de membrana em repouso faz com que uma porta de activação mantenha os canais de Na+ fechados (2) – a despolarização estimula a abertura das portas de activação, que activam os canais de Na+ - 14 - Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução (3) – com a abertura das portas de activação, Na+ entra na célula (4) – portas de inactivação fecham e o Na+ pára de entrar Fases dos Ciclos do Potencial de Acção fluxo local de corrente Ö despolarização abertura dos canais lentos de K+ portas de activação dos canais de Na+ abrem rapidamente mais despolarização mecanismo de feedback positivo K+ sai da célula Na+ entra na célula repolarização para parar o ciclo, as portas de inactivação fecham e o Na+ pára de entrar mais canais de K+ abrem repolarização Inactivação e Período Refractário - após inactivação, os canais de Na+ não voltam a abrir enquanto não tiver ocorrido a repolarização da membrana - próximo do potencial de respouso, os canais de Na+ passam do estado inactivo ao estado desactivado (fechado) Ö imediatamente, a seguir de um potencial de acção, a membrana não consegue gerar outro potencial de acção Ö período refractário absoluto Ö assim sendo, à medida que os canais de Na+ transitam do estado inactivo para o estado fechado, a membrana readquire a capacidade de gerar potenciais de acção no entanto, o limiar de activação é mais elevado Ö período refractário relativo - o período refractário impede a autoexcitação Ö doutro modo,um potencial de acção ao atingir o terminal do axónio, poderia re-excitar o axónio no sentido oposto, ou seja, - 15 - Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução geraria um potencial retrógado Ö assim sendo, os potenciais de acção são conduzidos numa direcção apenas Ö condução unidireccional Velocidade de Condução e Mielina - os potenciais de acção, consoante a existência ou ausência de mielina na fibra, deslocam-se ao longo do axónio de dois modos: (A) – condução saltatória nos axónios mielinizados (B) - propagação por fluxo de corrente local nos axónios não-mielinizados (A) - Condução Saltatória nos Axónios Mielinizados - nestes axónios, grande parte da membrana está coberta por mielina Ö a mielina é uma substância lípidica segregada pelos oligodendrócitos no Sistema Nervoso Central e pelas células de Schwann no Sistema Nervoso Periférico, formando a bainha de mielina - esta bainha de mielina aumenta a resistência da membrana e reduz a capacitância total da membrana Ö estes factores aumentam a capacidade de propagação do fluxo de corrente local ao longo do axónio - em axónios mielinizados existem regiões de descontinuidade da bainha de mielina, que acarretam a existência de uma constrição (estrangulamento) denominada nódulo de Ranvier Ö os canais de Na+ que geram a fase ascendente do potencial de acção surgem apenas nestes nódulos Ö condução saltatória Ö onda de despolarização "salta" directamente de um nódulo para outro, não acontecendo em toda a extensão da região mielinizada (a mielina é isolante) considerável aumento da velocidade do impulso nervoso (B) Propagação por Fluxo de Corrente Local nos Axónios Não-Mielinizados - a carga positiva desloca-se para regiões com potencial de membrana mais negativo Ö à medida que áreas do axónio são despolarizadas e atingem o limiar de activação e o - 16 - Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução ciclo de feedback positivo de abertura de canais de Na+ começa Ö potencial de acção desloca-se continuamente, ao longo do axónio - fibras muito finas (maior resistência) não são mielinizadas, pelo que a propagação do potencial de acção é contínua menor velocidade do impulso nervoso Sinapses - um impulso é transmitido de uma célula a outra através das sinapses Ö a sinapse é uma região de contacto muito próximo entre a extremidade do axónio de um neurónio e a superfície de outras células - a célula que envia o potencial de acção denomina-se célula pré-sináptica e a célula que o recebe célula pós-sináptica - existem dois tipos de sinapses: sinapses excitatórias - causam uma mudança elétrica excitatória no potencial pós-sináptico (EPSP), que vai conduzir a despolarização da membrana, logo dispara um potencial de acção; as sinapses excitatórias são desencadeadas por neutransmissores como o glutamato e o nAChR que tornam a membrana permeável a catiões (Na+, K+ e Ca2+), promovendo a despolarização da célula pós-sináptica, o que aumenta a excitabilidade sinapses inibitórias - causam um potencial pós-sináptico inibitório (IPSP), que vai conduzir à hiperpolarização da membrana e como a hiperpolarização reprime a excitabilidade, torna assim mais difícil alcançar o potencial de limiar eléctrico; as sinapses inibiórias são desencadeadas por neutransmissores como o GABA e a glicina que tornam a membrana permeável a aniões (Cl-) promovendo a hiperpolarização da célula pós-sináptica, o que inibe a excitabilidade Nota: o somatório temporal é a soma dos epsp’s ou dos ipsp’s sucessivos da mesma sinapse; já o somatório espacial é a soma de sinapses distantes cujos epsp’s ou ipsp’s se sobrepõe - 17 - Fundamentos Fisiológicos da Engenharia Biomédica I Introdução Exemplo de um IPSP e de um EPSP - um IPSP torna a membrana pós-sináptica ainda mais negativa do que o potencial em repouso (hiperpolariza-a) - posteriormente ou simultaneamente, um EPSP que despolariza a membrana até se atingir o threshold que desencadeia o potencial de acção Nota : só há potencial de acção se um EPSP ou um somatório de EPSP ultrapassa o threshold - 18 -
