apostila completa unifesp 2010

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO PAULOESCOLA PAULISTA DE MEDICINA

BIOFSICA CELULAR MANUAL PRTICOContrao da clula muscular estriada Bioenergtica Difuso Transporte atravs de membranas biolgicas Potencial de membrana Potencial de repouso (clula em repouso) Propagao do sinal para o interior da clula (clula em ao) Juno neuromuscular Acoplamento excitaocontrao da celular muscular estriada Contrao da clula muscular estriada Bioeletrognese

Potencial de ao

Propagao do sinal de clula a clula

Sinapse

1o Ano Mdico

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CURSO DE BIOFSICA CELULAR

Dentre os vrios fenmenos biolgicos que poderiam ser escolhidos para ensinarmos o enfoque biofsico, optamos pelo processo de contrao muscular, que basicamente se resume na transformao de energia qumica em mecnica em funo de uma sinalizao nvel da membrana plasmtica da clula muscular. Veremos que o detalhamento anatmico/histolgico at o nvel molecular no ser suficiente para explicarmos o processo integralmente, e um entendimento mais profundo exigir a aplicao de conceitos biofsicos, tais como os da bioenergtica (que independem da estrutura) que envolvem as leis que regem as trocas energticas, determinando o transporte de solutos e solventes atravs da membrana celular nas quais se baseia a sinalizao celular. Associados ao entendimento destes conceitos introduziremos a estratgia da "caixa preta" atravs do estudo prtico de tipos de transporte existente em epitlio abdominal de anfbios. esta estratgia didtica ter a finalidade de introduzir o aluno ao raciocnio cientfico, de certo modo anlogo ao raciocnio necessrio para a proposio correta de um tratamento clnico frente a uma determinada situao patolgica. Finalmente, discutiremos os fenmenos eltricos decorrentes da migrao de solutos inicos, gerando ondas eltricas na membrana das clulas excitveis (nervo e msculo), responsveis pelo disparo do processo contrtil.

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ATIVIDADES DESENVOLVIDAS DURANTE O CURSO

1. Aulas Tericas (AT): so aulas expositivas, com durao aproximada de 2 horas, em que se faz a apresentao de tpico, sem a inteno de esgotar o assunto.

2. Seminrios (S): So atividades baseadas no estudo prvio de um texto. Desenvolvidas em grupo ou individualmente, durante 6 horas, so destinadas a tirar as dvidas adquiridas com a leitura do texto indicado, a resolver exerccios e problemas, e a discutir aquilo que os alunos aprenderam com a leitura do texto.

A partir desta apostila, o curso de Biofsica Celular ser ministrado pelos seguintes professores: Antonio de Miranda Clvis R. Nakaie (Chefe da Disciplina de Fsico-Qumica) Eneida de Gusmo Silva Barone Eduardo Maffud Cilli Sang Won Han Teresa Feres de Oliveira Viviane Louise Andre Novailhetas (Chefe da Disciplina de Biofsica)

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NDICE

CONTRAO MUSCULAR 1. Estrutura macroscpica e microscpica do msculo estriado 1.1 Sarcolema 1.2 Miofibrilas, filamentos de actina e miosina, sarcmero, bandas e zonas 2. Ultra-estrutura do msculo estriado 2.1 Filamentos 2.2 Sarcoplasma 2.3 Sistemas de membranas 2.3.1 Tbulos transversos (T) 2.3.2 Retculo Sarcoplasmtico 2.3.3 Trade 3. Caractersticas moleculares do miofilamentos contrateis 3.1 Miosina 3.2 Actina 3.3. Tropomiosina 3.4 Troponina 4. Interaes da miosina com actina e o ATP 5. Mecanismo molecular da contrao muscular 5.1 Tipos de contrao 5.1.1 Contrao isomtrica 5.1.2 Contrao isotnica 5.2 Mecanismo de contrao por deslizamento 6. Acoplamento excitao-contrao 6.1 Tbulos T 6.2 Papel do on clcio na contrao, muscular 6.3 Papel da troponina-tropomiosina na contrao muscular 7. Fontes de energia para a contrao muscular 8. Bibliografia 9. Questionrio de contrao muscular BIOENERGTICA 002 002 002 003 003 005 005 007 008 009 009 009 014 014 015 016 017 017 017 017 018 022 024 024 024 027 029 030

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I. Introduo II. Histrico III. Definies 1. Sistema, fronteira e arredores 2. Energia, calor e trabalho 3. Tipos de Sistema 4. Estado de um sistema Propriedades intensivas e extensivas 4.1 Estado de equilbrio 4.2 Estado Padro 5. Processos 5.1 Definio 5.2 Tipos de processos 5.2.1 Processo isotrmico 5.2.2 Processo isobrico 5.2.3 Processo Isocrico 5.2.4 Processo reversvel ou quase esttico 5.2.5 Processo cclico 5.2.6 Processo irreversvel, natural IV. Lei Zero da Termodinmica V. Primeiro Princpio da Termodinmica 1. Conceituao 2. Entalpia 3. Interpretao molecular da energia interna e entalpia VI. Segundo Princpio da Termodinmica 1. Entropia 2. Energia Livre 2.1. Conceito 2.2. Energia livre e constante de equilbrio (Keq) 2.3. Potencial qumico 2.3.1 Potencial Qumico e Trabalho Qumico 2.3.2 Potencial Eltrico e Trabalho Eltrico 2.3.3 Potencial Eletroqumico e Trabalho Eletroqumico VII. Trocas energticas e a vida 1. Acoplamento de transformaes 2. Estado de fluxo constante VIII. Concluso

032 033 033 033 033 034 034 035 035 036 036 036 036 036 036 036 036 037 037 038 040 040 044 045 049 049 052 052 053 055 056 057 057 058 058 063 064

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IX. Bibliografia X. Questionrio de Bioenergtica DIFUSO EM MEMBRANAS ARTIFICIAIS I. Difuso de soluto 1. Introduo e objetivos 2. Difuso em sistema contnuo 3. Difuso atravs de uma membrana 3.1. Lei de Fick 3.2. Coeficiente de permeabilidade 3.3. Fluxos unidirecionais 4. Resumo e concluses II. Fluxo de gua (osmose) 1. Introduo 2. Presso osmtica 3. Osmolaridade de uma soluo 4. Comparao entre osmolaridade e tonicidade de uma soluo III. Bibliografia IV. Parte Experimental A. Difuso de substncias atravs de uma membrana artificial I. Introduo B. Introduo gerais para uso do fotmetro C. Construo da curva padro de permanganato de potssio D. Difuso de permanganato de potssio atravs de membrana de celofane V. Questionrio de difuso

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072 072 073 075 076 078 078 080 081 081 081 084 084 086 087 087 087 088 089 091 094

MEMBRANAS BIOLOGICAS 1. Introduo e objetivos 2. Bases energticas para a estruturao de unidades funcionais 000 000

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2.1 Tipos de ligaes qumicas 2.2 gua 2.3 Energtica das interaes biolgicas 3. Composio e estruturao de membranas celulares 3.1 Lipdeos 3.2 Protenas 3.3 Modelo do mosaico fluido 4. Transporte atravs de membranas 4.1 Transporte passivo simples 4.2 Transporte passivo mediado 4 3 Transporte ativo 5. Bioeletrognese 5.1 Membrana permevel a um nico on 5.2 Membrana permevel a todos os ons 5.2.1 Condio de equilbrio (Equao de Nernst) 5.2.2 Condio estacionria (Equao de Goldman) 5.3 Equilbrio de Donnan 6. Potencial de Repouso 7. Bibliografia Questionrio - Transporte atravs de membranas Transporte atravs de membranas biolgicas - informaes adicionais Demonstrao experimental A. Potenciais bioeltricos em pele abdominal de anfbio 1. Noes de eletricidade 2. Objetivo 3. Composio das solues de Ringer 4. Montagem Experimental 5. Interpretao dos dados 6. Resumo das informaes obtidas 7. Modelo do transporte inico em epitlio abdominal de anfbio B. Segunda aula (Estudo quantitativo do transporte inico) 1. Efeito da concentrao de sdio do lado externo da pele 2. Efeito da concentrao de potssio do lado interno da pele Observaes Finais

000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

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CONTRAO MUSCULAR

1. Identificar os componentes da maquinria contrtil de um msculo. 2. Entender a origem da gerao de fora no msculo. 3. Descrever a Ultra-estrutura de um sarcmero. 4. Descrever a estrutura molecular dos miofilamentos. 5. Enumerar a teoria dos filamentos deslizantes para a contrao muscular. 6. Descrever a sequncia de eventos relacionados com o acoplamento excitaocontrao no msculo. 7. Distinguir contrao isotnica de isomtrica. 8. Identificar as fontes de energia para a contrao muscular. 9. Explicar o papel do ATP e do Ca2+ sobre a interao da actina com a miosina. 10. Entender a rigidez cadavrica.

Conexes com outras disciplinas: Fisiologia, Histologia, Farmacologia, Bioqumica, Neurofisiologia, Neurologia etc.

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CONTRAO MUSCULAR A caracterstica fundamental do msculo a de transformar a energia qumica, proveniente da hidrlise do ATP, em energia mecnica, a contrao. Para a realizao desta tarefa, os msculos estriados, tanto esquelticos como cardacos, apresentam um sistema altamente organizado de miofibrilas. J os msculos lisos formam um sistema bem heterogneo, com grande diversidade morfolgica e funcional, dependendo do tipo de rgo estudado (vasos sanguneos, tero, canal deferente, etc.). Nosso objetivo ser o de estudar o mecanismo de contrao da musculatura esqueltica estriada.

1. Estrutura macroscpica e microscpica do msculo estriado O msculo esqueltico constitudo de numerosas fibras alongadas, sendo cada fibra muscular correspondente a uma clula de 10 cm ou mais de comprimento. Cada fibra multinucleada, com os ncleos localizados na periferia. A clula muscular contm, alm da maquinaria bioqumica caracterstica de qualquer clula, miofilamentos orientados longitudinalmente em relao a ela, e dois sistemas de membranas, transversal e longitudinal, que participam do ciclo excitaocontrao-relaxamento dos filamentos. Tais elementos sero discutidos a seguir.

1.1 Sarcolema a membrana celular da fibra muscular. Consiste de uma membrana celular verdadeira (membrana plasmtica) e de uma fina camada de material polissacardeo. Na camada mais externa do sarcolema esto tambm presentes as fibras colgenas. Nas extremidades das fibras, as camadas superficiais do sarcolema se fundem com as fibras tendinosas que, por sua vez, formam os tendes musculares que se inserem nos ossos. Os tendes no apresentam por si s atividade contrtil. As foras geradas pelas fibras musculares so transmitidas pelos tendes aos ossos, possibilitando o movimento 1.2. Miofibrilas, filamentos de actina e de miosina, sarcmero, bandas e zonas Cada fibra muscular (clula muscular) constituda de centenas a milhares de miofibrilas (Figura 1). Cada miofibrila apres