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 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 assim sendo, o organismo mantém a composição do meio extracelular com pequenas variações, de modo a manter o funcionamento celular apropriado homeóstase - assim sendo, a homeóstase é a manutenção do meio interno dentro de uma determinada gama de valores deste modo, existem mecanismos homeostáticos que funcionam como uma resposta coordenada do organismo a variações, de modo a manter a estabilidade interna - 2 -
- 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 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 estabiliza o parâmetro a regular homeostasia Exemplo de um Mecanismo de Feedback Negativo Estímulo descida da temperatura da água Resposta o aquecedor liga Feedback Negativo temperatura conduz ao desligar do aquecedor - 3 -
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 não é homeostático Exemplo de um Mecanismo de Feedback Positivo Trabalho de Parto pressão do feto contra cervix desencadeia libertação de oxitocina provoca fortes contracções uterinas Feedback Positivo 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 -
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 Ca 2+ ) - o fluido intersticial é constituído pelos iões Na +, K +, Cl - e Ca 2+ - 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 -
- 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 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) é um processo de facilitação em que não há gasto de energia transporte activo as partículas movem-se contra o seu gradiente de concentração é portanto um mecanismo que necessita de energia - 6 -
- 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 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 -
- em suma, o transporte de moléculas e iões pode ser: passivo activo 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 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) é um tipo de transporte passivo, sem gastos de energia para a célula - a água move-se livremente entre os compartimentos do nosso organismo 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 -
- 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 neste ponto de equilíbrio, a coluna de solução menos concentrada estará relativamente, abaixo da coluna do lado da solução mais diluída 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) (3) (1) uma solução hipertónica faz a célula perder água, diminuindo seu volume plasmólise uma solução hipotónica faz a célula aumentar de volume lise celular solução isotónica quando não causa mudança no volume da célula - 9 -
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 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 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 para serem absorvidas, estas substâncias têm que passar através da célula absorção transcelular existem diferentes sistemas de transporte na membrana apical e na membrana basolateral: Membrana Apical : simporte (simultaneamente, glicose da dieta e Na + provenientes do lúmen, atravessam a membrana, entrando na célula) 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 -
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 formam-se, assim, vesículas pinocíticas contendo líquido 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 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 o complexo ligando-receptor migra para depressões cobertas por clatrina membrana forma uma vesícula posteriormente, a clatrina e a membrana são recicladas - 11 -
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 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 Ca 2+ ) 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 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 em repouso, os potenciais de membrana de um neurónio são -70mV ( o potencial de membrana é medido em Volts ou milivolts) - 12 -
- o potencial de membrana devido à difusão de um só ião é dada pela equação de Nerst; assim sendo, para o K + : + RT E K [ K ] = ln + zf [ K ] i 4 = 26,7.ln = 150 0 96,8mV - 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: ' + ' + ' RT p K V m [ K ] 0 + p Na [ Na ] 0 + p Cl [ Cl ] = ln ' + ' + ' F p K [ K ] i + p Na [ Na ] i + p Cl [ Cl ] 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 0 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 -
têm início por despolarização - quando alcançado o limiar de activação, produz-se a abertura de "canais" de cálcio na membrana celular; esta entrada de Ca 2+ produz a abertura de canais de Na +, entrando este para o citoplasma 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) (2) (3) (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 -
(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 despolarização portas de activação dos canais de Na + abrem rapidamente abertura dos canais lentos de K + mais despolarização mecanismo de feedback positivo Na + entra na célula K + sai da 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) imediatamente, a seguir de um potencial de acção, a membrana não consegue gerar outro potencial de acção período refractário absoluto 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 período refractário relativo - o período refractário impede a autoexcitação doutro modo,um potencial de acção ao atingir o terminal do axónio, poderia re-excitar o axónio no sentido oposto, ou seja, - 15 -
geraria um potencial retrógado assim sendo, os potenciais de acção são conduzidos numa direcção apenas 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 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 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 os canais de Na + que geram a fase ascendente do potencial de acção surgem apenas nestes nódulos condução saltatória 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 à medida que áreas do axónio são despolarizadas e atingem o limiar de activação e o - 16 -
ciclo de feedback positivo de abertura de canais de Na + começa 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 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 Ca 2+ ), 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 -
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 -