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Biofísica
Raio X
Os raios X são radiações eletromagnéticas, que transportam energia sob forma de ondas eletromagnéticas. A energia radiante se comporta como se estivesse compactada, formando fótons. A sala de raio X devem ter paredes recobertas por uma camada de chumbo e os vidros de observação tem chumbo em sua composição. Ao tentar atravessar a matéria, os raios X interagem com seus átomos.
Radiação
Radiação é a transmissão de energia de um sistema para outro por meio de ondas eletromagnéticas (calor, luz visível, raios ultravioleta, raios X) ou então de partículas dotadas de massa (radiações alfa e beta). É classificada como ionizante e não-ionizante. As radiações ionizantes (raio X, radiação alfa) são aquelas cujos fótons ou partículas produzem íons na matéria com a qual interagem, assim podendo produzir danos nas estruturas vivas. A interação do fóton com o átomo pode ocorrer de 3 maneiras: Excitação : elétrons são deslocados de seus orbitais de equilíbrio e, ao retornarem, emitem energia excedente sob forma de luz ou RX característico. Ionização : elétrons são removidos dos orbitais pela radiação, resultando em elétrons livres e íons positivos. Pode haver emissão de luz, RX característicos ou emissão de elétrons Auger. Ativação Nuclear : radiações com energia superior à energia de ligação das partículas do núcleo podem provocar reações nucleares, resultando em emissão de uma radiação nuclear. Chapa Radiográfica – decodifica radiação capaz de ser vista e registrada. Radioatividade – é a propriedade que os núcleos instáveis possuem de emitir partículas e radiações eletromagnéticas, para se tornarem estáveis, através de reação nuclear. A exposição de um animal à radiação ionizante pode levar ao aparecimento da síndrome aguda da radiação , que acontece quando a dose absorvida é muito grande. O paciente pode apresentar manifestações gastrointestinais como náuseas, vômitos, hemorragia digestiva, anorexia, diarreia, etc. geralmente, eles têm febre e se mostram apáticos, astênicos, com sudorese abundante, tontura e cefaleia. Quando a dose absorvida é de dezenas de milhares de rads, a morte pode ocorrer em poucos minutos em virtude da inativação de muitos tipos de moléculas vitais (desorientação espacial e temporal, perdem a coordenação motora e convulsões antecipam a morte). É um quadro grave, cuja gravidade varia de acordo com a dose absorvida, a quantidade do tecido irradiado, a presença de radiossensibilizadores e com características biológicas que são próprias do ser irradiado. Radiação Ionizante são ondas eletromagnéticas de frequência muito elevada (raio X e gama), que contém energia suficiente para produzir a ionização. Tem grande importância pelos seus dados que causam nas estruturas vivas e pelo seu valor como meio diagnóstico e de tratamento de doenças (tumores). Radiação não-ionizante constitui, em geral, a parte do espectro eletromagnético cuja energia é pequena para romper as ligações atômicas. Radiação ultravioleta, luz visível, radiação infravermelha, campos de rádio frequência e micro-ondas. Não causam ionização num sistema biológico, mesma em alta intensidade. Ao tentar atravessar a matéria, os raios X interagem com os seus átomos. Processos fundamentais dessa interação:
- Espalhamento coerente : o fóton transfere para um átomo-alvo toda sua energia (baixa energia) sem, contudo, removê-lo da eletrosfera. O elétron salta para um orbital de maior energia e, por isso, o átomo fica num estado excitado. Depois o elétron retorna ao seu orbital de equilíbrio, devolvendo energia sob forma de outro fóton, em direção diferente.
- Efeito fotoelétrico : um fóton interage com um elétron orbital transferindo para ele toda a sua energia, com energia suficiente para deslocar o elétron e lhe fornecer energia suficiente a fim de afastá-lo do núcleo. É desejável para a radiografia, pois permite a formação de imagens com elevado contraste entre os órgãos. O elétron secundário
possui energia suficiente para produzir mais interações até perder toda sua energia. É responsável pelo efeito indesejável da radiografia, pois ionizando o meio-alvo, aumenta a quantidade de radiação absorvida pelo corpo.
- Efeito Compton : os raios X transferem para os átomos-alvo parte da sua energia, a fim de promover o deslocamento de elétrons que estão situados principalmente nos orbitais mais periféricos da eletrosfera. A energia não transferida deixa o átomo como um fóton emergente, cuja energia é menor do que aquela do fóton incidente. O fóton continua a se propagar depois de interagir com o meio, seguindo uma direção diferente daquela inicial. Quanto maior a angulação de espalhamento, maior a energia transferida ao elétron de interação e melhor a qualidade da imagem.
- Produção de Par : o fóton desaparece e cria duas partículas de cargas opostas.
- Fotodesintegração : raios gama interagem com um núcleo atômico e causam extrema excitação, o qual decai em núcleos filhos.
Os isótopos que emitem radiação são chamados de radionuclídeos. São utilizados como fonte primária de radiação tanto para o tratamento de tumores, como para diagnóstico e para investigação científica. Os principais elementos radioativos usados com essa finalidade são o césio-137, o cobalto-60 e o rádio-226. Partícula alfa – constituída por 2 prótons e 2 nêutros (partícula pesada). É facilmente detida (folha de papel), não conseguem ultrapassar as camadas externas de células mortas da pele, sendo inofensiva, entretanto, tendem a se acumular nos ossos. Partículas Beta – elétrons ejetados do núcleo atômico. Possui carga negativa, perde energia para o meio rapidamente, pequeno poder de ionização, ocasionam dados à pele, mas não aos órgãos internos, a não ser que sejam ingeridas ou aspiradas. Radiação gama – possuem alta energia, sendo extremamente penetrantes. Possuem mais energia do que os raios X. Excitação : elétrons saltam para camadas superiores. Decaimento radioativo ou transmutação – se faz pela emissão de energia sob a forma de radiações alfa, beta as quais podem estar acompanhadas por emissão gama. Os elétrons retornam às camadas mais baixas, emitindo radiação eletromagnética. Decaimento nuclear – aumento de estabilidade nuclear em virtude da emissão de radiação. Desintegração – expressa as transformações intranucleares capazes de promover o decaimento. Meia Vida ou período de semidesintegração – é o tempo necessário para que a quantidade (número de desintegrações) de uma amostra radioativa seja reduzida à metade. Meia vida biológica – é o tempo necessário para que metade do elemento químico (radioativo ou não) introduzido em um organismo seja metabolizado e eliminado pelas vias normais. Meia vida efetiva – combinação das duas anteriores. Tempo em que a dose de radiação no órgão fica reduzida à metade. Quando um corpo é exposto a uma radiação, ele absorve certa quantidade (dose absorvida), quanto maior, maiores são as chances de dados. Efeitos diretos (a energia da radiação é absorvida diretamente por moléculas importantes ao metabolismo) ou indiretos (radicais livres). Dose limiar – aquela abaizo da qual não podem ser detectadas alterações no funcionamento e expressão no ser vivo. Dose subletal – dose que não causa morte celular, independente de produzir ou não efeitos biológicos. Sistemas de defesa biológico – catalase, superóxido dismutase, peroxidases, vitaminas C e E. Os danos no DNA podem não ser corrigidos, levando ao aparecimento de mutações. O sistema hematopoético e reprodutivo são mais agredidos durante uma exposição. As células neoplásicas são mais sensíveis (devido ao alto número mitótico). As células que exibem elevada atividade mitótica e com menor grau de diferenciação são mais radiossensíveis. Conduta médica em paciente contaminado – lavagem do paciente com água morna e sabão neutro. Tratados com substâncias com poder abrasivo e métodos para provocar a sudorese. Quelantes no aparelho digestivo.
Corrente elétrica : movimento de cargas elétricas em meios condutores, medido em Ampères (A). Potencial de membrana – as membranas das células vivas estão submetidas a uma diferença de potencial elétrico existente entre suas superfícies interna e externa. As células não- excitáveis (epiteliais do homem) apresentam um potencial de membrana constante (-20mV). Nos nervos e nos músculos esses potenciais chegam a -90mV. Quando a célula está quiescente, o seu potencial de membrana apresenta valor constante e é chamado de potencial de repouso. O potencial de repouso é gerado em virtude de a membrana apresentar permeabilidade diferente aos diversos íons, bem como pela assimetria na distribuição iônica entre os lados intra e extracelular (difusão de íons através da membrana), também, a bomba de Na/K, por ser eletrogênica, contribui para a criação do potencial de repouso. As cargas para os fenômenos elétricos na membrana celular são íons (Na +^ , K +, Ca 2+^ e Cl-^ ). Todas as células do corpo mantêm uma DDP em repouso: Células musculares: -90mV; Neurônios: -70 a -80mV. Células epiteliais até -50mV. Potencial de repouso da membrana celular – é determinado pela diferença de concentrações de cargas elétricas entre os meios intra e extracelular. A célula deve ser seletivamente permeável a alguns íons (principalmente sódio e potássio). A tendência difusional de íons é a de migrar do lado de maior concentração para o de menor concentração (principalmente pela movimentação dos íons potássio), criando um gradiente de potencial elétrico entre as faces da membrana. A bomba de Na/K ajuda a manter esse potencial. O potencial de repouso de uma célula ocorre quando o potencial de membrana não é alterado por potenciais de ação, ou seja, quando a membrana está polarizada e não há potenciais sinápticos ou qualquer outra alteração ativa do potencial de membrana, nessa situação, o interior das células é negativo em relação ao meio extracelular. Fatores que alteram o potencial de repouso: redução da concentração de potássio extracelular, diminuição da atividade da bomba Na/K (intoxicação digitálica), diminuição da produção de ATP (anoxia ou inibição metabólica por venenos, como cianeto), ação de drogas que alteram a permeabilidade da membrana aos íons que formam o potencial de repouso (acetilcolina aumenta a permeabilidade ao K – hiperpolariza a célula). Modelo do mosaico fluido – a membrana celular é constituída por uma matriz lipídica onde existem proteínas globulares parcialmente mergulhadas na matriz lipídica, e outras, as proteínas intrínsecas permitem a comunicação entre o citoplasma e o meio extracelular. Essas proteínas ficam flutuando na matriz, podendo nela submergir ou emergir (movimentos laterais e transversais). Composição lipídica da membrana celular – três tipos de lipídeos estão presentes na membrana celular animal: fosfolipídios (são substâncias anfipáticas - fosfatidilcolina encontrado em maior quantidade), glicolipídios e esteroides (colesterol). Apresentam na sua superfície externa um glicocálice polissacarídico, que está relacionado com propriedades imunológicas. Movimento dos lipídeos na bicamada: movimento transverso (o lipídeo migra de uma monocamada para a outra), flip-flop, são mediados pelas flipases, e o movimento lateral, proporcionado pela difusão lateral dos lipídios ao longo da membrana, rotação (move no seu próprio eixo) e flexão (movimentos das caudas hidrofóbicas). Flip-flop ocorre, normalmente, durante apoptose (morte celular fisiológica) ou após a síntese de novos fosfolipídios de membrana.
Fluidez da membrana celular – a zona mais central da membrana é dotada de fluidez. As moléculas de colesterol são capazes de reduzir essa fluidez, enquanto os fosfolipídios tendem a aumenta-la. A baixa temperatura, os íons Ca e Mg diminuem a fluidez. As proteínas se movem facilmente entre os lipídios, entretanto, algumas ficam presas ao citoesqueleto e não se movimentam. Outros componentes de membrana, são as proteínas e o glicocálice (carboidratos ligados à proteínas ou lipídios, funcionando como proteção mecânica e química para a célula).
A bomba de sódio e potássio – está localizada na membrana celular. Transporta sódio para fora e potássio para dentro da célula, utilizando a energia proveniente da hidrólise do ATP. Para cada ATP hidrolisado, 3 íons Na são removidos da célula e 2 íons K são levados para dentro dela (distribuição assimétrica), assim, o sódio se torna mais concentrado no exterior, enquanto o citoplasma apresenta alta concentração de potássio. Assim, a cada ciclo, uma carga positiva é transferida para o meio extracelular. A corrente gerada pela bomba Na/K ajuda a formar o potencial transmembrana, sendo responsável por uma parcela muito pequena da diferença de potencial observada no repouso. Quando ela é estimulada a bombear íons em grande velocidade, passa a contribuir de modo relevante para formação do potencial de membrana, atuando para hiperpolarizar a célula. A concentração dos íons ativa o funcionamento da bomba. Ela possui maior afinidade para o Na+^ no lado citoplasmático, e para o K +^ no lado extracelular. Essa bomba ajuda a controlar o volume hídrico da célula ao bombear Na +^ para o meio extracelular e pelo fato de a membrana apresentar baixa permeabilidade ao sódio. Sendo assim, o sódio permanecendo no meio extracelular, cria um gradiente osmótico favorável à saída de água da célula. Essa bomba é importante na manutenção do Potencial de Repouso das células nervosas, musculares e cardíacas. Bioeletricidade é a propriedade de células excitáveis (neurônios e células musculares) gerar e alterar a diferença de potencial elétrico através da membrana. Nos músculos e nervos, normalmente, o potencial de ação é o sinal elétrico que se propaga para transmitir informação ou para iniciar a contração, que corresponde à variação rápida do potencial de repouso da célula. Fases do potencial de ação:
- Fase de repouso: equivale ao potencial de repouso de membrana, nele a célula está “polarizada”, por apresentar uma diferença de potencial entre os lados da membrana, sendo seu interior negativo (alta condutância de K +^ ).
- Fase de despolarização: o potencial de membrana torna-se menos negativo, devido ao influxo de Na+^ estar sendo maior que a saída de K +^ (o estímulo precisa atingir o limiar de excitação celular) que no estado de repouso, podendo levar o interior celular a tornar-se positiva. Ocorre abertura dos canais de sódio voltagem dependentes. Quando a célula despolariza e sua voltagem ultrapassa 0mV, ocorre inversão do potencial de membrana (“overshoot”), devido ao grande influxo de íons Na+^ na célula.
- Fase de repolarização: a membrana tende a atingir o repouso novamente. Ocorre o fechamento dos canais de Na+^ e abertura dos canais de K +^. Há uma maior condutância de K+^ do que Na +^.
- Fase de hiperpolarização: caracterizada pela alta condutância de K+^ (abertura dos canais de potássio voltagem-dependentes), bem mais que seu potencial de repouso, ocorrendo uma saída excessiva de K+^ da célula para o meio extracelular, fazendo com que ela hiperpolarize, restabelecendo o potencial normal negativo de repouso da membrana.
- Arco reflexo – ocorre quando a transmissão sináptica passa de um neurônio para o outro, sem atingir o SNC.
Na sinapse química o terminal pré-sinático é separado do corpo celular do neurônio pós- sinático pela fenda sináptica. O terminal pré-sináptico possui vesículas transmissoras que contém substâncias transmissoras que serão liberadas na fenda sináptica, essa liberação é controlada por canais de cálcio dependentes de voltagem. O potencial de ação despolariza a membrana pré-sináptica, os canais de cálcio se abrem e íons de cálcio entram no terminal pré- sináptico, que se ligam a proteínas especiais, liberando o conteúdo das vesículas na fenda sináptica. Já no músculo cardíaco, o potencial de ação é causado pela abertura de dois tipos de canais: os canais rápidos de sódio (os mesmos encontrados no músculo esquelético) e os canais de cálcio-sódio que permanecem abertos por mais tempo que os primeiros (alguns décimos de segundos – na fase platô). Durante esse tempo, grandes quantidades de cálcio e sódio migram para o interior da fibra muscular cardíaca, mantendo a despolarização por mais tempo.
As fases do potencial de ação cardíaco:
- Fase 0 – Despolarização da célula.
- Fase 1 – Rápida, precoce e incompleta repolarização.
- Fase 2 – Platô. Tempo durante o qual a célula permanece despolarizada e o seu potencial mantém-se quase constante. A contração do músculo cardíaco é muito semelhante ao músculo estriado esquelético, com a diferença que graças ao potencial em platô não há somação de contrações entre cada despolarização, pois o tempo de despolarização é prolongado para que exista tempo hábil para a contração. Desta forma o coração não entra em tétano, o que seria desvantajoso para seu trabalho ritmado.
- Fase 3 – Fase de repolarização propriamente dita.
- Fase 4 – Corresponde à diástole elétrica (relaxamento). O baiacu possui uma bactéria que produz a tetrodotoxina, é uma neurotoxina potente, que bloqueia especificamente os canais de sódio dependentes da voltagem na superfície das células nervosas. Como resultado do bloqueio das bombas de sódio, há uma alteração da propagação dos impulsos nervosos. O fluxo de íons sódio nas células nervosas é um processo essencial na condução de impulsos nervosos em fibras excitáveis. A propagação da despolarização ao longo do terminal nervoso desencadeia todos os outros eventos que resultarão numa resposta ao estímulo. Essa toxina impede a propagação do impulso nervoso, podendo ocasionar a morte do indivíduo. Cloreto de potássio – simula os efeitos da paralisia hipercalêmica (excesso de potássio no meio extracelular).
- Hipoaldosteronismo: tem como principais causas em adultos o hipoaldosteronismo hiporreninêmico e o uso de diuréticos poupadores de K+^. Normalmente, está associado à acidose metabólica e à perda de Na+^ , já que a aldosterona promove a reabsorção tubular de Na +^ e H+^ , excretando K+^. Nos casos de hipercalemia provocada pelo uso de drogas que inibem a aldosterona, como a espironolactona, deve-se atentar para o tempo de recuperação da secreção de K+^ após a sua suspensão. O efeito máximo da espironolactona ocorre em 48 a 72 horas e persiste pelo mesmo período. O hipoaldosteronismo hiporreninêmico apresenta-se em pacientes com clearance de creatinina de 20 a 75 mL/min (pacientes com função renal normal conseguem responder a elevações do K+^ sérico com aumento da secreção tubular distal, evitando a hipercalemia) e em 50% dos casos acomete diabéticos. fraqueza muscular: resultante de mudanças na junção neuromuscular. Não costuma ocorrer até que a concentração de K +^ exceda 8 mEq/L;
Regulação Ácido-Base
A regulação ácido-base é essencial para correto funcionamento do corpr, pois as atividades de quase todos os sistemas e enzimas precisam de um pH adequado para funcionar corretamente. Ácidos, são substâncias capazes de doar H +, quando dissolvidos em água. Base, são substâncias capazes de doar OH_, quando dissolvidos em água. pH é o parâmetro químico que indica a concentração de íons de hidrogênio em uma solução aquosa. Influencia na estrutura e na atividade das biomoléculas, absorção de medicamentos e diagnóstico clínico (pH do sangue e urina). Enzimas são particularmente sensíveis a mudanças de pH. pH normal do sangue 7,4. Acidose – pH < 7,4. Alcalose – pH > 7,4. Os rins têm papel essencial na correção de desvios da [H +^ ], ao excretar H +^ ou HCO 3 - pela urina com intensidades variáveis. pH baixo (acidose) – neurônios tornam-se menos excitáveis – depressão do SNC – indivíduos confusos e desordenados. pH alto (alcalose) – neurônio hiperexcitáveis, desencadeando vários PA – indivíduos com convulsões, tremores musculares. A homeostase do pH do organismo depende de 3 mecanismos: tampão (soluções que resistem à pequenas variações do pH – ex.: bicarbonato), pulmões e rins. Os elementos do sistema-tampão bicarbonato são regulados pela taxa relativa de remoção e adição de HCO 3 - pelos rins e pela taxa de remoção de CO 2 pelos pulmões. Distúrbios no equilíbrio ácido-base estão associados a distúrbios no equilíbrio de K+^ , uma vez que o transportador renal move H +^ e K+^ por transporte antiporte. Atua diretamente na excreção ou reabsorção de H+^ : Acidose – os rins excretam H +^ e reabsorvem K+^ (por uma bomba ATPase). Alcalose – os rins reabsorvem K +^ e excretam H+^. Ainda atuam indiretamente, evitando a perda de bicarbonato, em condições normais, todo bicarbonato filtrado é reabsorvido nos túbulos. Proteína simporte HCO 3 -^ / Na +^. Regulação respiratória do equilíbrio ácido-base – aumento na ventilação elimina CO 2 , o que reduz a concentração de ácido. Em contrapartida, a menor ventilação acumula CO 2 , elevando a concentração de ácido, diminuindo o pH extracelular.
Diabetes Melittus – tecidos não terão glicose como fonte de energia, substituindo, principalmente, por ácidos graxos, o que geram corpos cetônicos com metabólitos secundários. Os níveis sanguíneos de ácido acetoacético se elevam e ocorre acido metabólica grave. Insuficiência renal crônica – acúmulo de ácidos fracos que não são excretados pelos rins, redução da reabsorção de bicarbonato, logo, pode estar associada à acidose metabólica.
Febre – síndrome hipertérmica, acompanhada de prostração, apatia, anorexia, alteração da vontade. Sem esses outros sintomas, o indivíduo estará com aumento da temperatura corporal, provocada por exercícios, ciclo menstrual, etc. A febre está correlacionada com a interleucina-1, que estimula a produção de prostaglandina ao nível do hipotálamo, alterando o centro de termorregulação.
