Biofisica-CESAD

Biofísica para Biólogos

Carla Maria Lins de Vasconcelos Eduardo Antônio Conde Garcia

São Cristóvão/SE 2009

asconcelos e Universidade

Biofísica para Biólogos Elaboração de Conteúdo Carla Maria Lins de Vasconcelos Eduardo Antônio Conde Garcia

Projeto Gráfico e Capa Hermeson Alves de Menezes Diagramação Lucílio do Nascimento Freitas Ilustração Luzileide Silva Santos

Copyright © 2009, Universidade Federal de Sergipe / CESAD. Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida, transmitida e gravada por qualquer meio eletrônico, mecânico, por fotocópia e outros, sem a prévia autorização por escrito da UFS.

FICHA CATALOGRÁFICA PRODUZIDA PELA BIBLIOTECA CENTRAL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

V331b

Vasconcelos, Carla Maria Lins de. Biofísica para biólogos / Carla Maria Lins de Vasconcelos e Eduardo Antônio Conde Garcia -- São Cristóvão: Universidade Federal de Sergipe, CESAD, 2009. 1. Biofísica. 2. Eletroforese. 3. Efeitos biológicos I. Garcia Eduardo Antônio Conde. II. Título. CDU 577.3

Presidente da República Luiz Inácio Lula da Silva

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Sumário AULA 1 Biofísica das membranas biológicas ................................................. 07 AULA 2 Potencial de membrana e potencial de ação .................................... 27 AULA 3 Biofísica da visão .............................................................................. 47 AULA 4 Biofísica da audição .......................................................................... 63 AULA 5 Eletroforese ...................................................................................... 79 AULA 6 Biofísica das radiações ionizantes .................................................... 97 AULA 7 Interação da radiação com a matéria ............................................... 117 AULA 8 Efeitos biológicos das radiações ionizantes ................................... 127

Aula BIOFÍSICA DAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS

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META Discutir as principais propriedades biofísicas das membranas biológicas e o conhecer o mecanismo de transporte de solutos através da membrana.

OBJETIVOS Ao final desta aula, o aluno deverá: descrever e esquematizar os principais modelos estruturais da membrana plasmática; descrever a composição química da membrana plasmática; compreender a importância da fluidez para a membrana e os fatores que influenciam a fluidez; discutir os tipos de transportes de solutos através da membrana plasmática e seus transportadores; relacionar as diferenças entre um transporte mediado por canal e carreador; e conhecer o mecanismo de transporte mediado pela Bomba de Na+/K+ e sua importância para a célula.

PRÉ-REQUISITOS Antes de iniciar o estudo da biofísica das membranas biológicas, faça uma leitura sobre a estrutura da membrana plasmática em um livro de Biologia Celular.

Modelo de membrana plasmática desenvolvido por alunos do ensino médio (Fonte: http://doracyfreire12.blogspot.com).

Biofísica para Biólogos

INTRODUÇÃO A membrana celular, também chamada de membrana plasmática, membrana citoplasmática ou plasmalema é o envoltório que toda célula possui. Os compartimentos internos, as organelas, também são envoltas por uma membrana. Ela define os limites da célula e, com isso, mantém as diferenças de composição entre os meios intracelular e extracelular. A espessura varia e, geralmente, está entre 6 a 9 nm. Como tem dimensões pequenas, somente é possível visualizá-las através de um microscópio eletrônico. Elas são constituídas basicamente de proteínas, lipídios e carboidratos. A membrana, por separar os meios intra e extracelular, seleciona as substâncias que devem passar, ou não, pela membrana. Essas substâncias podem ser transportadas sem gasto de energia (transporte passivo) ou com gasto de energia (transporte ativo). Neste capítulo discutiremos a evolução dos modelos de membrana até chegar no modelo mais aceito, algumas propriedades físicas da membrana e como se processa o transporte de pequenas moléculas através da membrana celular.

(Fonte: http://1.bp.blogspot.com).

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Biofísica das membranas biológicas

BIOFÍSICA DAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS

Aula

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Cada célula é envolvida por uma membrana plasmática que a separa do meio extracelular. A membrana plasmática serve como uma barreira de permeabilidade que permite com que a célula mantenha a composição citoplasmática diferente da composição do fluido extracelular. A membrana contém enzimas, receptores e antígenos importantes na interação com hormônios, agentes reguladores e também com outras células (Berne & Levy, 2008, p.3). Além disso, muitas proteínas formam canais ou carreadores na membrana para permitir o transporte de substâncias através da membrana.

EVOLUÇÃO DOS MODELOS DE MEMBRANA Desde o início do século XX, diversos modelos moleculares foram propostos para a membrana plasmática: 1. Gorter & Grendel (1925) – Esses pesquisadores propuseram o primeiro modelo estrutural para a membrana biológica. Trabalhando com eritrócitos, eles conseguiram isolar os lipídios da membrana utilizando um solvente orgânico. Eles verificaram que os lipídios extraídos, quando espalhados sobre uma superfície aquosa, ocupavam uma área duas vezes maior do que a superfície do eritrócito. Tal observação levou a hipótese de uma membrana formada por uma dupla camada de lipídios, com as extremidades apolares voltadas para os meios intra e extracelular, enquanto as extremidades polares estariam voltadas para o interior da membrana (Fig. 1). Os lípidos das membranas são moléculas longas e anfipáticas: possuem uma extremidade hidrofílica (polar) e, portanto, solúvel em água, e outra hidrófóbica (apolar), insolúvel em água.

Figura 1. Modelo de membrana celular proposto por Gorter & Grendel (1925).

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2. Danielli & Davson (1935) – Nesse modelo, a membrana seria formada pela bicamada lipídica com a participação de proteínas na membrana celular. Essas proteínas estariam situadas completamente fora da bicamada lipídica, em ambas as faces da membrana, tanto citoplasmática quanto não-citoplasmática (Fig. 2). A membrana seria composta por 40 a 50 % de proteínas e 50 a 60 % de lipídios.

Figura 2. Modelo de membrana celular proposto por Danielli & Davson (1935).

3. Robertson (1957-1959) – Propôs um modelo de membrana formada pela bicamada de lipídios revestida por proteínas globulares situadas completamente fora da bicamada lipídica (Conde-Garcia, 1998, p.5). 4. Stein & Danielli (1956) - O modelo admitia a presença de poros hidrofílicos formados por proteínas atravessando toda a extensão da bicamada lipídica. Esse poro foi idealizado para justificar a comunicação da célula com o meio externo (Fig. 3).

Figura 3. Modelo de membrana celular proposto por Stein & Danielli (1956).

5. Lucy & Glauert (1964) – Eles propuseram que a membrana da célula seria formada por micelas lipídicas (arranjo esférico de lipídios). Em ambas as faces da membrana, ela estaria recoberta por proteínas (Fig. 4).

Figura 4. Modelo de membrana celular proposto por Lucy & Glauert (1964) (Conde-Garcia, 1998, p.5).

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6. Benson (1966) – idealizou um modelo de membrana formada por uma matriz de proteínas onde os lipídios estariam mergulhados nessa matriz protéica (Fig. 5A). 7. Lenard & Singer (1966) – sugeriram um modelo de membrana formada por uma dupla camada descontínua de lipídeos no qual as proteínas estariam fixadas (Fig. 5B).

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B)

A)

Figura 5. Modelos de membrana celular proposto por Benson (A) e Lenard & Singer (B) (CondeGarcia, 1998, p.5).

8. Singer & Nicolson (1972) - O atual Modelo para as membranas celulares é o do mosaico fluido proposto por Singer & Nicolson, em 1972. Os cientistas postularam a existência de um mosaico de moléculas protéicas colocadas em uma camada fluida de lipídios. Com o advento do microscópio electrônico tornou-se possível visualizar diretamente a estrutura da membrana, revelando uma estrutura tri-lamelar, consistindo em duas camadas eletrodensas separadas por uma eletrotranslúcida. Neste modelo, os lipídios estão organizados com suas cadeias apolares voltados para o interior da membrana, enquanto as cabeças polares ficam voltadas para o meio extracelular ou citoplasmático. Essas duas camadas lipídicas estão associadas devido à interação das cadeias hidrofóbicas. As proteínas foram classificadas como extrínsecas ou periférica (proteína de superfície) ou intrínsecas ou integrais (atravessam toda a espessura da membrana). As proteínas extrínsecas poderiam ser externa (voltada para o meio extracelular) ou interna (voltada para o meio intracelular). A proteína externa poderia atuar como receptor de membrana e a interna como enzima. A proteína intrínseca teria a função no transporte de solutos ou poderia exercer também as mesmas funções de uma proteína extrínseca. Além dos lipídios e proteínas, a membrana seria revestida, na sua monocamada externa, por carboidratos (glicoproteínas ou glicolipídios). Essa camada é chamada de glicocálice e tem a função de reconhecimento celular (Fig. 6).

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Figura 6. Modelo de membrana celular proposto por Singer & Nicolson (1972).

PARÂMETROS ELÉTRICOS DA MEMBRANA CELULAR 1. Rigidez dielétrica da membrana. Existe entre o citosol e o meio extracelular uma diferença de potencial elétrico, que varia entre -60 a -90 mV. Isso significa dizer que o citosol é mais negativo em relação ao meio extracelular. Levando em consideração a pequena espessura da membrana (70 angstrom), a diferença de potencial existente cria um campo elétrico muito alto no interior da membrana. Para uma membrana de 100 angstrom e uma diferença de voltagem de 100 mV entre os meios intra e extracelular, o campo elétrico no interior da membrana seria altíssimo, de aproximadamente 10.000.000 V/m (Conde-Garcia, 1998, p.8). Obs. O ångström (Å) é uma medida de comprimento que se relaciona com o metro através da relação: 1 Å = 10-10 m. Ele faz parte da SI (Sistema Internacional de Unidades) e foi criada por um físico sueco Anders Jonas Ångström. O uso do ångström se mostrou necessário para medir distâncias menores que a nanômetro (10-9 m). 2. Capacitância da membrana. A membrana celular separa os meios intra e extracelular, dois meios condutores. Por isso, a membrana atua como um capacitor, que armazena cargas elétricas. A capacitância da membrana é de 1 mF/cm2 (Aires, 2008, p.24). A capacitância (C) é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial ou voltagem (V) que existe entre os dois lados da membrana. Pelo Sistema Internacional de Unidade (SI), um capacitor tem a capacitância de um Farad (F) quando um Coulomb de carga causa uma diferença de potencial de um Volt (V) entre as membranas. Q C = ————— V

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3. Resistência das membranas. As membranas celulares apresentam elevada resistência elétrica em torno de 1.000 a 8.000 W.cm2 (Conde-Garcia, 1998, p.9).

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COMPOSIÇÃO DA MEMBRANA CELULAR As moléculas lipídicas constituem 50 % da massa da maioria das membranas de células animais, sendo o restante, constituído de proteínas. As moléculas lipídicas são anfipáticas, pois possuem uma extremidade hidrofílica ou polar (solúvel em meio aquoso) e uma extremidade hidrofóbica ou não-polar (insolúvel em água). Os três principais grupos de lipídios da membrana são os fosfolipídios, o colesterol e os glicolipídios. Os fosfolipídios são os mais abundantes (fosfatidilcolina, fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina, esfingomielina, fosfatidilinositol) e possuem uma cabeça polar e duas caudas de hidrocarboneto hidrofóbicas (caudas de ácido graxo). As caudas podem apresentar diferenças no comprimento (14 a 24 átomos de carbono) e geralmente uma é insaturada, ou seja, apresenta uma dupla ligação cis. Essa dupla ligação promove uma flexão na cauda de lipídio (Fig. 7). Tanto o comprimento da cauda quanto a presença da dupla ligação influi na fluidez da membrana.

Figura 7. Molécula de fosfolipídio. Fosfatidilcolina, representada esquematicamente (esquerda) e modelo espacial (esquerda). A flexão é ocasionada pela dupla ligação. (Fonte: http:// html.rincondelvago.com).

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As moléculas de colesterol apresentam uma cabeça polar (grupamento hidroxila) e, a sua região hidrofóbica possui anéis de esteróides e uma cauda de ácido graxo (Fig. 8). Os anéis do colesterol imobilizam a primeira porção da cadeia de ácido graxo do fosfolipídio adjacente. Dessa forma, ele torna a bicamada lipídica menos sujeita a deformações (menor fluidez), e assim, diminui a permeabilidade da membrana.

Figura 8. Representação da molécula de colesterol interposta entre os fosfolipídios de membrana (Fonte: http://www.ar.geocities.com).

A BICAMADA LIPÍDICA É UM FLUIDO BIDIMENSIONAL A membrana plasmática não é uma estrutura estática, os lipídios movem-se proporcionando uma fluidez à membrana. Dentro da membrana, os lipídios podem realizar 04 tipos de movimentos (Fig. 9): a) Flip-Flop - é o movimento de passagem de um lipídio de uma monocamada para outra. Esse movimento ocorre raramente, aproximadamente 45 dias para cada lipídio realizar uma mudança de monocamada. Esse fato se deve a baixa afinidade da cabeça polar com as caudas de ácido graxo, dificultando a passagem da cabeça polar (hidrofílica) dentro da região apolar (hidrofóbica) da bicamada lipídica (Alberts et al., 2004). b) Difusão lateral – os lipídios movem-se lateralmente ao longo da extensão da camada.

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c) Rotação - Eles movem-se ao longo do seu próprio eixo, em um movimento rotacional. d) Flexão – Movimento das caudas hidrofóbicas dos lipídios.

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Figura 9. Tipos de movimentos possíveis realizados pelos fosfolipídios em uma bicamada lipídica (Alberts et al., 2004).

FLUIDEZ DE MEMBRANA PLASMÁTICA A fluidez da membrana é controlada por diversos fatores físicos e químicos. a) A temperatura influencia na fluidez: quanto mais alta ou baixa, mais ou menos fluida será a membrana, respectivamente. b) O número de duplas ligações nas caudas hidrofóbicas dos lipídios também influencia a fluidez: quanto maior o número de insaturações, mais fluida a membrana. A insaturação promove uma flexão na cauda do lipídio mantendo os lipídios vizinhos afastados. c) Também a concentração de colesterol influencia na fluidez: quanto mais colesterol, menos fluida. O colesterol, por ser menor e mais rígido, interage mais fortemente com os lipídios adjacentes, diminuindo sua capacidade de movimentação. d) Tamanho da cauda do lipídio: quanto mais curta a cauda do fosfolipídio mais intensa será a flexão da cauda e, portanto, maior a fluidez da membrana.

A MEMBRANA PLASMÁTICA É ASSIMÉTRICA As monocamadas externa e interna da membrana são assimétricas, tanto na composição de lipídios como de proteínas. A monocamada ex15

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terna da membrana dos eritrócitos possui uma concentração maior de fosfatidilcolina e esfingomielina, enquanto na monocamada interna predominam o fosfatidiletanolamina e a fosfatidilserina.

TRANSPORTE TRANSMEMBRANA Existem várias formas através das quais as diversas substâncias podem atravessar a membrana celular. As principais e mais bem conhecidas são:

DIFUSÃO SIMPLES Neste tipo de transporte, a substância passa do meio extracelular para o meio intracelular (ou vice-versa) diretamente através da bicamada lipídica. A substância é transportada do meio mais concentrado para o meio menos concentrado, em decorrência ao movimento aleatório das partículas devido a uma energia cinética da própria matéria. Não há gasto de ATP intracelular nem participação de proteínas carreadoras. Nesse transporte, a molécula se dissolve na bicamada lipídica, atravessa a membrana plasmática até alcançar o equilíbrio dentro e fora da célula (Cooper, 1997). Geralmente moléculas hidrofóbicas ou lipossolúveis são transportadas por difusão simples (Ex.: O2, CO2, N2, ácidos graxos, benzeno). Quanto menor o tamanho da partícula e maior a lipossolubilidade maior será a velocidade do transporte. As moléculas polares pequenas e sem carga, tais como H2O, uréia e glicerol são capazes de se difundir através da membrana (Fig. 10). A água atravessa a membrana facilmente por possuir um baixo peso molecular (18 daltons) e uma alta energia cinética.

DIFUSÃO FACILITADA

Figura 10. Transporte de solutos através da bicamada lipídica (Alberts et al., 2004).

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Esse tipo de transporte também ocorre do meio mais concentrado para o menos concentrado (transporte passivo) só que mediado por proteínas transportadoras. Essas proteínas são integrais e multipasso, ou seja, atravessam a membrana várias vezes. Elas apresentam múltiplas α-hélices atravessando a bica-

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mada lipídica (Fig. 11). As substâncias transportadas por difusão facilitada não possuem afinidade com a bicamada lipídica. Geralmente as moléculas polares e grandes sem carga (glicose ou sacarose) e os íons (Na+, K+, Ca++, Cle H+) são transportados por difusão facilitada (Fig. 10).

A)

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B)

Figura 11. Proteína integral com apenas uma única α-hélice transmembranar (A, unipasso) e proteína integral com múltiplas α-hélices transmembranar (B, multipasso). A proteína B atravessa a membrana 14 vezes (Cooper, 2000).

A difusão facilitada pode ser mediada por uma proteína carreadora ou por uma proteína canal.

DIFUSÃO FACILITADA MEDIADA POR CARREADOR As proteínas carreadoras apresentam sítios de ligação para o soluto a ser transportado. Após a ligação do soluto à proteína carreadora, ela sofre mudança conformacional permitindo a passagem do soluto por dentro da proteína para o outro lado da membrana. Os carreadores geralmente transportam açúcares, aminoácidos e nucleotídeos. De acordo com o número de moléculas transportadas e o sentido do transporte, o transporte pode ser classificado em: uniporte, simporte e antiporte (Fig. 12).

Figura 12. Classificação dos carreadores de membrana: uniporte, simporte ou antiporte (Alberts et al., 2004).

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a) Uniporte – é uma proteína carreadora que transporta uma única molécula no mesmo sentido. Ex. carreador da glicose (transporta a glicose do meio extracelular para o intracelular). b) Simporte - é uma proteína carreadora que transporta dois solutos diferentes no mesmo sentido. Geralmente, é um transporte acoplado entre uma molécula e um íon. Exemplo: Proteína transportadora de Na+ e glicose. Ela possui dois sítios receptores para a fixação de ambas substâncias situados na face externa da membrana celular. Tanto o Na+ quanto à glicose são transportados para dentro da célula. O transporte da glicose ocorre de meio menos concentrado para o mais concentrado e só ocorre graças ao transporte simultâneo do sódio, que acontece do meio mais concentrado para o menos concentrado (http://www.biofisica.ufsc.br). c) Antiporte - é uma proteína carreadora que transporta dois solutos diferentes em sentidos contrários. Ex. Trocador Na+/Ca++.

DIFUSÃO FACILITADA MEDIADA POR CANAL Diferente da proteína carreadora, a proteína canal transporta o soluto ou íon sem se fixar ao soluto, ou seja, os canais não apresentam sítios de ligação para a molécula a ser transportada. O fluxo de íons pelo canal é passivo, movido pela concentração, pelo movimento térmico e pela diferença de potencial elétrico na membrana celular. Os canais iônicos são seletivos, ou seja, as dimensões pequenas do poro forçam a interação dos íons com resíduos de aminoácidos da proteína-canal, e por essas interações, os canais tornam-se seletivos (Cassola, 2000). Uma proteína canal sofre mudanças estruturais podendo apresentar dois estados conformacionais possíveis: um com o poro aberto e outro com o poro fechado (Fig. 12). O canal aberto permite a passagem do íon, do meio mais concentrado para o meio menos concentrado, enquanto que, o canal fechado não permite a passagem do íon. Os canais são compostos por portões ou comportas que controlam a passagem de íons pelo canal (Fig. 13). O canal de sódio é formado por duas subunidades protéicas, chamadas de α e β. A subunidade a possui 4 domínios (I, II, III e IV) inseridos na membrana celular Figura 13. Representação dos canais de Na+ e K+ mostrando o (Fig. 14). Cada domínio é formado por 6 transporte dos íons e as alterações conformacionais das “comporsegmentos transmembranar (S1-S6), ou tas” abrindo ou fechando os canais (Fonte: www.ceunes.ufes.br).

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seja, 6 hélices mergulhadas na membrana. Os grupamentos amino (NH2) e carboxil (COOH) da proteína estão voltados para o interior da célula (Conde-Garcia, 1998, p. 38). O segmento S4 atua como o sensor de voltagem do canal. O sensor de voltagem é capaz de reconhecer a voltagem de célula e comandar a abertura ou fechamento do canal.

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Figura 14. Estrutura do canal de sódio (A) mostrando os 4 domínios (I, II, III e IV) formados, cada um, de 6 segmentos transmembranar (S1 a S6) que se arranjam para formar o poro (B). (Fonte: http://www.pharyngula.com).

Como as comportas dos canais são controladas? Podem ser controladas de 3 formas básicas: a) Voltagem – os canais que dependem da voltagem da célula para se abrir são chamados de canais operados por voltagem (VOC). (Fig. 15).

Figura 15. Representação das diferentes formas de ativação de um canal iônico de membrana

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Exemplo: Canal de Na+ dependente de voltagem. Esse canal é um pouco mais complexo por possuir duas “comportas”: a) comporta de ativação, localizada próxima à extremidade externa do canal e b) comporta de inativação, localizada próxima à extremidade interna do canal (Fig. 16). Esse canal apresenta três estados possíveis: aberto, fechado e inativado. 1) No potencial de repouso da célula, em – 90 mV, a comporta de ativação fica fechada, não há entrada de sódio na célula (estado fechado). Por outro lado, a comporta de inativação está aberta (Fig. 16A). 2) Entre -70 e -50 mV, a comporta de ativação sofre mudança conformacional, abrindo o canal (estado aberto ou ativado) (Fig. 16B). 3) O aumento da voltagem que abre a comporta de ativação também fecha a comporta de inativação (estado inativado) (Fig. 16C). O canal só volta para o estado fechado quando a voltagem da célula estiver próxima de – 90 mV. C) B) A)

Figura 16. Característica do canal de Na+ operado por voltagem mostrando a ativação e inativação do canal de acordo com o potencial de membrana (Guyton, 2000, p.53, modificado por Vasconcelos, 2009).

b) Mediador químico – os canais em que a abertura da comporta depende da ligação de uma substância química ao canal são chamados de canais operados por ligante (LOC). (Fig. 15). Exemplo: canal de potássio dependente de ATP (adenosina trifosfato). Esse canal se mantém fechado na presença de ATP (Conde-Garcia, 1998, p. 34). (Fig. 15). c) Ativação mecânica - são canais em que a abertura da comporta depende de uma tensão mecânica aplicada à membrana, tal como, vibração, mudança do volume ou da forma celular, aceleração, entre outros (Conde-Garcia-Añoveros, 1997). Uma animação de canal iônico, transporte passivo e ativo, para melhor exemplificação, pode ser conferida no site: http://biologyanimations.blogspot.com/search/label/transport%20animation. Lá, clique em “transport animation”. 20

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TRANSPORTE ATIVO

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No transporte ativo, o soluto é transportado do meio menos concentrado para o mais concentrado. Para tanto, há consumo de ATP intracelular para transportar o soluto. As proteínas carreadoras que realizam este transporte são denominadas de bomba. Exemplo: Bomba de Sódio e Potássio - transporta 3 íons Na+ para o meio extracelular e 2 íons K+ potássio para o meio intracelular, consumindo uma molécula de ATP. Ambos os íons são transportados de um meio menos concentrado para um mais concentrado do mesmo íon. É uma proteína formada por 2 subunidades, a α com uma massa relativa de 112.000 daltons (10 hélices) e a β com uma massa de 35.000 daltons (1 hélice). A bomba Na+/K+ é também uma enzima (ATPase) que hidrolisa ATP, com a liberação de ADP e a transferência de grupo fosfato à própria bomba. É a subunidade α que tem atividade ATPase e, nela, estão situados os sítios de ligação para os íons Na+ e K+ (Fig. 17).

Figura 17. Representação estrutural da Bomba de Na+ e K+ mostrando as 2 subunidades, a α com 10 hélices e a β com 1 hélice.

Sequência de bombeamento da bomba de Na+/K+: a bomba de Na /K+, na conformação I, expõe os sítios de ligação para o Na+. Ela fixa 3 Na+ no interior da célula ativando a enzima ATPase. A ATPase hidroliza a molécula de ATP liberando ADP e Pi (fosfato inorgânico). O Pi é transferido para a bomba e, com isso, ela passa para a conformação II. Nessa conformação, o Na + é bombeado para o meio extracelular (de maior concentração) e ela fixa 2 íons K+. A ligação do K + à proteína promove uma desfosforilação da bomba, ou seja, liberação do Pi. A desfosforilação faz com que a proteína volte para a conformação I, bombeando os íons K + para o meio intracelular. Essa sequência pode ser vista na Fig. 18. +

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Figura 18. Sequência de transporte da bomba de Na+/K+. (Fonte: http://fajerpc.magnet.fsu.edu).

IMPORTÂNCIAS DA BOMBA DE NA+/K+ a) Ela é eletrogênica, ou seja, cria uma diferença de potencial elétrico entre o citosol e o meio extracelular. Isso se deve ao fato dela bombear para o meio externo mais cátions (3 íons Na+) do que para o meio interno (2 íons K+). Dessa forma, a bomba contribui para que a célula fique mais negativa do que o meio extracelular. A diferença de potencial gerada pela bomba é de apenas -4 mV (Fig. 19).

Figura 19. A bomba de Na+/K+ ATPase é eletrogênica

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b) Ela cria um gradiente de concentração. A maioria das células animais mantém uma elevada concentração de K+ (140 mM) e baixa concentração de Na+ (14 mM) no citosol. No meio extracelular, a concentração de Na+ é mantida alta (142 mM) enquanto que a concentração de K+ é mantida baixa (4 mM). Essa diferença de concentração de Na+ e K+ entre o citosol e o meio extracelular se deve ao trabalho da bomba de Na +/K+. A manutenção desse gradiente é importante para manter o potencial de repouso da célula (Aires, 2008, p.128; Guyton, 2006, p.51). c) Ela controla o volume hídrico da célula. Por bombear mais cátions (Na+) para o meio extracelular e pelo fato de a membrana apresentar baixa permeabilidade ao Na+, no potencial de repouso, o Na+ bombeado para o exterior da célula, não retorna rapidamente para citosol. Ficando no meio extracelular, o Na+ cria um gradiente osmótico favorável a saída da água da célula. Dessa forma, a bomba de Na+/K+ ajuda a manter o volume de água constante no citosol. Você quer vê uma animação da bomba de Na+/K+? Consulte o site: http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/ membrane_transport/membrane_transport.swf.

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Exemplo: Bomba de cálcio. É uma proteína que possui 10 hélices e dois sítios receptores para o íon cálcio. Essas bombas são encontradas tanto na membrana plasmática quanto na membrana do retículo sarcoplamástico (RS). A bomba de Ca++ de membrana promove o efluxo de cálcio (do meio intracelular para o meio extracelular), enquanto que a bomba do RS bombeia o cálcio do citosol para o interior do retículo. Elas usam a energia libertada na hidrólise do ATP.

ATIVIDADES Descreva o experimento que descobriu a existência da Bomba de Na+ e K+ e que era um transporte dependente de ATP.

COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES O experimento foi realizado por Hodgkin & Keynes (1955) em axônio gigante de lula utilizando íons Na+ radioativos. A descoberta que era um transporte dependente de ATP surgiu com uso de 2 substâncias: o dinitrofenol (DNP) e o cianeto (CN). Você poderia ler sobre esses experimentos no livro de Biofísica do autor Conde-Garcia, 1998. Nas páginas 10 e 11 você encontrará a descrição do experimento.

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CONCLUSÃO Como vimos no decorrer desta aula a membrana plasmática exerce várias funções importantes para a célula. A membrana é composta por três tipos básicos de moléculas lipídios, proteínas e carboidratos que trabalham de forma integrada mais com funções distintas. Além de separar o citoplasma do meio extracelular, ela funciona como barreira física, e realiza o transporte de solutos através de proteínas transportadoras. Alguns solutos apresentam afinidade com a membrana e são transportados diretamente pela bicamada lipídica. Por ser o componente celular mais externo e possuir proteínas receptoras, a membrana tem a capacidade de reconhecer outras células e diversos tipos de moléculas, tais como drogas e hormônios.

RESUMO A membrana celular é formada por uma dupla camada de lipídios dispostos com as porções polares voltadas para os meios intra e extracelular e as caudas hidrofóbicas voltadas para o interior da membrana. As proteínas que compõem a membrana são classificadas como integrais, ou seja, atravessam toda a extensão da membrana ou periféricas que são as proteínas localizadas ou na monocamada interna ou externa da membrana. Os carboidratos também são encontrados na membrana especificamente na sua monocamada externa. A membrana é um fluido bidimensional, com assimetria entre as monocamadas internas e externas. São fatores que diminuem a fluidez da membrana: ausência da dupla ligação cis na cauda do fosfolipídio, cadeias longas de ácido graxo, presença do colesterol e baixa temperatura. Os lipídios de membrana podem realizar 4 movimentos: flip-flop, difusão lateral, rotação e flexão das caudas. O transporte de pequenos solutos pela membrana pode ser feito de forma passiva (sem gasto de energia) ou de forma ativa (com gasto de energia). Moléculas hidrofóbicas e moléculas hidrofílicas pequenas e sem carga elétrica são transportadas pela membrana por difusão simples, ou seja, diretamente pela bicamada lipídica. Por outro lado, as moléculas hidrofílicas grandes e sem carga elétrica são transportadas por difusão facilitada. Esta difusão pode ser mediada por uma proteína canal ou carreador. Os carreadores são classificados em uniporte, simporte ou antiporte a depender do sentido do transporte e do número de moléculas transportadas. Tanto a difusão simples quanto a facilitada são transportes passivos, ou seja, o soluto é transportado do meio de maior concentração para o de menor concentração. O transporte ativo é mediado por proteínas carreadoras, chamadas de bombas, no qual 24

Biofísica das membranas biológicas

o soluto será transportado de um meio de menor concentração para um de maior concentração, com gasto de ATP. A bomba de Na+/K+ é uma proteína carreadora que transporta 3 íons Na+ para o meio extracelular e 2 íons K+ para o meio intracelular. Com este transporte a bomba cria diferenças de concentração e cargas entre o citosol e o meio extracelular. Além disso, a bomba tem uma importância fundamental no controle hídrico da célula e ajuda a restabelecer as concentrações originais de sódio e potássio após um potencial de ação.

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ATIVIDADES 1. Explique 3 fatores que podem aumentar a fluidez da membrana? 2. Descreva os movimentos possíveis realizados pelos lipídios. 3. Qual a diferença principal no transporte realizado por um canal e por um carreador? 4. Descreva o ciclo de bombeamento da bomba de Na+/K+. 5. Como a bomba de Na+/K+ controla o volume hídrico da célula?

PRÓXIMA AULA Agora que você aprendeu a estrutura da membrana plasmática e os principais mecanismos de transporte realizados por ela, vamos estudar, na próxima aula, a formação do potencial de repouso da célula, assim como, o potencial de ação gerado pelas células excitáveis.

REFERÊNCIAS AIRES, M. M. Fisiologia. 3 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008. ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; P. Biologia Molecular da Célula, Ed. ArtMed, 2004. BERNE, R.M.; Levy, M.N. Physiology, 7 ed. Ed. Mosby Year Book, 2008. CASSOLA, A.C. Atualização em fisiologia e fisiopatologia renal: canais iônicos nas células do epitélio tubular renal. J Bras Nefrol, p. 176-180, 2000. COOPER, G.M. The cell. A molecular approach. Ed. AMS press, 1997. CONDE-GARCIA, E.A.C. Biofísica. Ed. Savier, 1998. http://www.biofisica.ufsc.br CONDE-GARCIA-AÑOVEROS, J.; COREY, D.P. The molecules of mechanosensation. Annual Review of Neuroscience, p. 567-594, 1997.

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GUYTON, A.C.; HALL, J.E. Tratado de fisiologia médica, 11 ed. Ed. Elsevier, 2006. http://www.ar.geocities.com/moni2201/membrana_celular.htm http://www.biofisica.ufsc.br http://www.ceunes.ufes.br http://www.pharyngula.com/index/science/2004 http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/ membrane_transport/membrane_transport.swf.

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Aula POTENCIAL DE MEMBRANA E POTENCIAL DE AÇÃO

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META Apresentar os potenciais de membrana celular, gerados tanto em repouso quanto durante a atividade, em células nervosas e musculares.

OBJETIVOS Ao final desta aula, o aluno deverá: descrever o mecanismo do potencial de repouso, assim como, os fatores responsáveis em gerar esse potencial; aprender como calcular o potencial de difusão quando a membrana é permeável a um ou a diferentes íons; relacionar as fases do potencial de ação com o movimento de íons através da membrana plasmática; e diferenciar o potencial de repouso de uma célula nervosa e muscular.

PRÉ-REQUISITOS Para um bom entendimento desta aula é preciso que você já tenha estudado o capítulo 1 deste livro. Lá você aprenderá a estrutura e a composição da membrana plasmática, e como é feito o transporte de solutos através dela.

Axônio ativo (Fonte: http://thumbs.dreamstime.com).

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INTRODUÇÃO Através da membrana plasmática de todas as células vivas do corpo humano existem potenciais elétricos, ou seja, uma diferença de voltagem entre os meios intra e extracelular. O interior das células é mais negativo em relação ao meio extracelular. Esse potencial negativo dentro da célula se deve ao fluxo de diferentes íons através da membrana e também a ação da bomba de Na+/K+. Algumas células do corpo humano são excitáveis, tais como as células nervosas e musculares. Essas células são capazes de deflagrar potenciais de ação, que são variações bruscas do potencial de repouso cuja forma depende do tecido estimulado. Através do potencial de ação, as células transmitem informações de uma célula à outra e, nos músculos, dá início ao mecanismo da contração muscular. Nos nervos, por outro lado, eles transmitem informações táteis, dolorosas, térmicas, entre outras.

Neurônio da cobertura superior do cérebro. Para poder transmitir o impulso nervoso, os neurônios contêm os dentritos (uma série de ramificações que mantém contato com outras células para receber a informação) (Fonte: http://diariodebiologia.com).

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O POTENCIAL DE REPOUSO

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O potencial de repouso de uma célula tem sua origem em dois mecanismos simples: 1) difusão de íons através da membrana (Na+ e K+) e, 2) uma pequena contribuição da bomba de Na+/K+. O potencial de repouso de uma célula nervosa, quando não está transmitindo um impulso elétrico, é de aproximadamente – 90 mV. Isso significa dizer que o potencial dentro da célula é 90 mV mais negativo do que o meio extracelular. Nesta aula, discutiremos os mecanismos responsáveis por essa eletronegatividade existente no interior da célula em condição de repouso, ou seja, quando ela não está transmitindo impulsos elétricos ao logo de sua membrana.

POTENCIAIS ELÉTRICOS DE MEMBRANA RESULTANTES DA DIFUSÃO DE ÍONS Nós vimos na primeira aula que a bomba de Na+/K+ é responsável pelo gradiente de concentração de Na+ e K+ através da membrana. A Tabela 1 mostra as concentrações de Na+, K+, Cl- e Ca++ no interior e exterior de uma célula em repouso. Tabela 1. Concentrações iônicas nos meios intra e extracelular em uma célula hipotética íon Interior da célula Exterior da célula Na+ 14 mM 142 mM + K 140 mM 4 mM Cl5 mM 120 mM ++ -4 Ca 10 mM 2 mM Como podemos observar, a concentração de K+ no meio intracelular é mais alta do que no meio extracelular. Considerando uma membrana permeável somente ao K+, haverá uma grande difusão destes íons para o exterior da célula que se faz do meio mais concentrado, para o menos concentrado. Como o K+ é um íon de carga positiva (cátion), à medida que ele se difunde para o exterior da célula, transporta carga positiva para este meio, que vai ficando eletropositivo em relação ao meio intracelular. Com isso, é criada uma diferença de potencial elétrico entre os meios intra e extracelular. A eletropositividade gerada no exterior da célula vai dificultar a difusão de mais K+ para fora dela. Como o meio interno tornou-se negativo, este potencial vai favorecer a difusão de K+ em sentido contrário, gerando um fluxo elétrico do meio extra para o intracelular (Conde-Garcia, 1998, p.15; Guyton, 2006, p.49).

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A diferença de potencial elétrico entre as duas faces de membrana que impede a difusão de um determinado íon é chamada de potencial de equilíbrio do íon ou potencial de Nernst. A equação de Nernst permite que seja calculado o potencial de equilíbrio de um íon. Para utilizar essa equação deve-se admitir que o potencial no meio extracelular é zero, que a membrana é permeável apenas a um único íon e ainda é preciso conhecer as concentrações interna e externa do íon. O potencial calculado, em mV, se refere ao potencial dentro da célula. Vejamos a equação usada para calcular potencial de equilíbrio de um íon univalente (valência 1), tal como o Na+ e K+: Equação 1: [ s ]e Vs = 61,5 log ————— (mV) [ s ]i

Onde: Vs- é a voltagem intracelular produzida por um íon s, considerando o meio extracelular com potencial nulo [ s ]e– concentração externa do íon s [ s ]i – concentração interna do íon s

Vejamos abaixo o cálculo do potencial de equilíbrio quando o íon s é o Na+. Usaremos as concentrações informadas na Tabela 1. 142 VNa+ = 61,5 log ————— 14 VNa+ = 61,5 log 10,14 VNa+ = 61,5 (1,006) VNa+ = + 61,8 mV Que conclusão você pode obter com este resultado? Se o íon Na+ fosse o único íon a se difundir pela membrana e suas concentrações se mantivessem como foi especificado, então o potencial de repouso da célula seria positivo e valeria 61,8 mV. Como o potencial de repouso normal tem um valor aproximado de –90 mV, conclui-se que a difusão de Na+ pela membrana não deve ser importante para a geração do potencial de repouso. 1. Agora calcule o potencial de equilíbrio para o íon K+. As concentrações deste íon você encontrará na Tabela 1. Comentário: Você chegou ao valor de – 94,96 mV ? Então, parabéns !!! Se não conseguiu obter este valor, refaça o método de cálculo e também observe se não cometeu erro ao processar as operações matemáticas. Veja que o resultado do potencial de equilíbrio do K+ deve ser negativo, uma

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vez que a difusão deste íon se faz do meio intracelular para o meio extracelular, deixando aquele meio mais eletronegativo.

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2. Agora calcule o potencial de equilíbrio para o íon Cl . As concentrações também estão na Tabela 1. Agora, como o Cl- é um íon negativo (ânion) a equação de Nernst ficará na forma: Equação 2: [Cl-]e VCl- = - 61,5 log ————— (mV) [Cl-]i Comentário: Você encontrou o valor – 84,88 mV? Parabéns !!! Se não alcançou este valor, então refaça o método de cálculo e veja se não cometeu erro ao processar as operações matemáticas. Veja que o resultado do potencial de equilíbrio para o íon Cl- também deve ser negativo, uma vez que ele é um ânion e que sua difusão - se faz do meio extracelular para o meio intracelular. 3. Agora calcule o potencial de equilíbrio para o íon Ca++. As concentrações também estão na Tabela 1. O Ca++ é um íon com valência +2, assim a equação será: Equação 3: [Ca++]e VCa++ = 30,75 log ————— (mV) [Ca++]i Comentário: Você encontrou o valor +132,25 mV? Parabéns !!! Se não alcançou este valor, então refaça o método de cálculo e veja se não cometeu erro ao processar as operações matemáticas. Veja que o resultado do potencial de equilíbrio para o íon Ca++ deve ser positivo, uma vez que a difusão desse cátion se faz do meio extracelular para o meio intracelular. 4. Por que entre os íons para os quais a membrana é permeável, é o K+ o que tem maior influência sobre a geração do potencial de repouso da célula? Comentário: para que você possa responder a esta questão é preciso que estude os experimentos feitos por Hodgkin & Horowicz (1959) que estão mostrados nas Figs. 1.16 e 1.17 do livro BIOFISICA de Conde-Garcia (1998).

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Como foi dito, a equação de Nernst somente é usada quando a membrana é permeável a apenas um único íon. Quando vários íons puderem atravessá-la, o potencial de membrana dependerá dos seguintes fatores: a) concentrações dos íons nos meios intra e extracelular b) permeabilidade (P) da membrana para cada íon A equação que permite o cálculo deste potencial, considerando a membrana ser permeável apenas aos íons univalentes Na+ e K+, é conhecida como equação de Goldman-Hodgkin-Katz: Equação 4 V = 61,5 log

PNa+ . [Na+]e . + PK+ .[K+] e —————————————————— (mV) PNa+ . [Na+]i + PK+ .[K+]i

A membrana da célula nervosa, durante o repouso, é 100 vezes mais permeável ao potássio do que ao sódio. Dessa forma, a PK+ = 100 e ao PNa+ = 1. 5. Agora você vai substituir os valores de concentração e permeabilidade na Eq. 4 e vai calcular o potencial intracelular que uma célula adquire quando é permeável, ao mesmo tempo, ao Na+ e ao K+. Comentário: Como a membrana, em repouso, é muito mais permeável ao potássio do que ao sódio, é de se esperar que a difusão do potássio contribua mais para o potencial de repouso que a difusão do sódio. Sendo assim, o potencial intracelular resultante gerado pelos 2 íons deve ser negativo e próximo ao valor do potencial de equilíbrio do potássio. O valor calculado pela equação de Goldman-Hodgkin-Katz deve ser aproximadamente –86 mV. Você encontrou isto? Parabéns !!! Se não chegou a este valor, então refaça o método de cálculo e veja se não cometeu erro ao processar as operações matemáticas. Vale ressaltar que a difusão de Na+ e K+, em condição de repouso, é feita através de um canal de vazamento de Na+ e K+. Esse canal permite que os íons citados atravessem a membrana celular saindo do meio mais concentrado para o menos concentrado. O fluxo de potássio é maior do que de sódio porque a permeabilidade destes íons é maior (Fig. 20).

Figura 20. Canal de vazamento de Na+ e K+. Por esse canal acontece saída de potássio e entrada de sódio.

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CONTRIBUIÇÃO DA BOMBA DE NA+/K+ PARA O POTENCIAL DE REPOUSO

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A bomba de Na+/K+ dá uma contribuição adicional para o potencial de repouso negativo da célula. Isso se deve ao fato de a bomba transportar 3 íons Na+ para fora da célula e apenas 2 íons K+ para o interior dela. Com isso, a cada ciclo de bombeamento, a célula perde uma carga positiva, gerando um potencial negativo no meio intracelular. Cálculos mostram que bomba Na+/K+ é responsável pela geração de 4 mV do valor total do potencial de repouso. Levando em consideração que este potencial é de – 90 mV, podemos perceber que a bomba contribui pouco para o potencial de repouso final. Podemos concluir que a difusão simultânea de Na+ e K+ através da membrana produz um potencial de membrana de cerca de -86 mV, grande parte determinada pela saída (efluxo) de potássio da célula. E que a bomba de Na+/K+ contribui com um potencial de -4 mV. Os dois mecanismos juntos, a difusão de Na+ e K+ pelos canais iônicos e o trabalho da bomba de Na+/K+, criam um potencial final de -90 mV.

POTENCIAL DE AÇÃO NA CÉLULA NERVOSA As informações nervosas são transmitidas por meio de potenciais de ação. Este evento elétrico corresponde à variação rápida do potencial de repouso da célula. A célula sai do seu potencial de repouso (negativo) e passa para um potencial intracelular positivo, para, logo em seguida, retornar ao potencial de repouso (negativo) inicial. Para que a célula fique positiva, ou seja, para que seja gerado um potencial de ação, é preciso que ocorra um influxo de cargas positivas na célula. Por outro lado, para que ela retome o seu estado de repouso, é preciso que ocorra a saída de cargas positivas. A Fig. 21 mostra uma representação gráfica de um potencial de ação de célula nervosa. Este potencial apresenta as fases que estão descritas abaixo: a) Fase de repouso – corresponde ao potencial de repouso da membrana. Nesta fase, diz-se que a célula está “polarizada”, por apresentar uma diferença de potencial entre os lados da membrana sendo o seu interior negativo. Na Fig. 21 observa-se que este potencial é de -90 mV. b) Fase de despolarização – nesta fase o potencial de repouso torna-se menos negativo em relação ao que possuía no estado de repouso. O potencial intracelular aumenta de -90 mV, ultrapassando a voltagem de 0 mV e tornando-se positivo. Isto somente ocorrerá se houver um estímulo elétrico que eleve o potencial da membrana até a voltagem limiar. Esta volta33

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gem está situada a cerca de 20 mV acima do potencial de repouso. Assim, se o potencial de repouso é de –90 mV, o limiar se encontrará em torno de –70 mV. Quando a voltagem limiar é alcançada, ocorre uma intensa redução da resistência da membrana (Conde-Garcia, 1998, p.26) devido à abertura dos canais de Na+ operados por voltagem. A abertura destes canais promove a entrada de Na+ e consequente aumento da voltagem da célula, fator que estimula a abertura de novos canais de Na+. Com isso a célula entra em um ciclo de “feedback” positivo (Guyton, 2006, p.56). Quando a célula sofre despolarização e sua voltagem ultrapassa 0 mV, ou seja, quando ocorre inversão do potencial de membrana, diz-se que aconteceu o “overshoot” (Fig. 21). O “overshoot” se deve a um grande influxo de íons Na+ na célula.

Figura 21. Representação gráfica de um potencial de ação de uma célula nervosa mostrando as suas diferentes fases.

Para comprovar a existência do “overshoot”, Hodgkin & Katz (1949) realizaram um experimento com axônio gigante de lula (Fig. 22) registrando o potencial de ação (Conde-Garcia, 1998, p.21) em 3 situações: 1. axônio mergulhado em água do mar contendo concentração normal de Na+ (curva 1). 2. axônio mergulhado em água do mar contendo concentração de Na+ reduzida para 33 % (curva 2). 3. axônio mergulhado em água do mar contendo concentração normal de Na+ (curva 3). Com a redução do Na+ extracelular (curva 2) foi observada uma redução da amplitude do potencial de ação, abolindo o fenômeno do “overshoot”, bem como uma redução da taxa de despolarização deste sinal elétrico. Com isso, pôde-se concluir que o “overshoot” se deve à entrada de sódio na célula. Quando a concentração de Na+ no meio extracelular foi restaurada, o potencial de ação voltou a apresentar a amplitude que possuía no controle (curva 3) (Conde-Garcia, 1998, p.21).

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Figura 22. Influência da concentração extracelular do sódio sobre o potencial de ação de axônio gigante de lula (Conde-Garcia, 1998, p.21).

O advento da técnica de “voltage clamp”, em 1949, permitiu conhecer as correntes iônicas que são responsáveis por cada fase do potencial de ação. A técnica consiste em manter a voltagem da célula fixada em valores determinados e então medir as correntes que atravessam a membrana plasmática. A Fig. 23 mostra o registro das correntes iônicas medidas em 3 situações: A) axônio mergulhado em água do mar contendo concentração normal de Na+; B) axônio mergulhado em água do mar contendo cloreto de colina para substituir o cloreto de sódio na solução externa; C) axônio mergulhado em água do mar contendo concentração normal de Na+ Esta figura mostra registros que foram obtidos com o ‘patch clamp’. Em cima, está o protocolo de pulso elétrico aplicado à célula. Observe que inicialmente aplicou-se um pulso de corrente despolarizante elevando o potencial da membrana de – 50 mV para +10 mV. Esse pulso permitiu a abertura dos canais iônicos e o registro de suas correntes. Em A, podem ser observadas três correntes: 1) corrente de saída resultante da descarga do capacitor de membrana, 2) corrente de entrada e 3) corrente de saída. Em B, na presença de colina, observa-se que a corrente 2 desapareceu. Pode-se concluir que a corrente de entrada era decorrente do influxo de íons Na+. Em C, as correntes foram restauradas.

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Figura 23. Registro das correntes iônicas em axônio gigante de lula. No painel superior, está o protocolo de pulsos aplicado à célula (Conde-Garcia, 1998, p.22).

O mesmo aumento de voltagem que ativa o canal de Na+ operado por voltagem e permite que a célula despolarize, inativa o canal de Na+. Na primeira aula vimos que este canal pode apresentar 3 estados conformacionais: 1) ativado (permite o difusão de Na+), inativado (não permite a difusão de Na+) e 3) fechado (não permite a difusão de Na+). Qual a diferença entre um canal de Na+ inativado e fechado? O canal fechado é capaz de se abrir quando a célula recebe um estímulo e o canal inativado não se abre sem que a célula esteja repolarizada ou próxima do estado de repouso. Portanto, logo após a ativação do canal de Na+, ocorre a inativação impedindo que mais íons Na+ entrem na célula. Nesse momento, a célula inicia a repolarização. c) Fase de repolarização – na célula nervosa, aproximadamente um milissegundo após a despolarização, a membrana torna-se muito permeável aos íons K+. Os canais por onde passam este íon é ativado quando a voltagem da célula aumenta de -90 mV a 0 mV. A condutância da membrana ao K+ aumenta lentamente. Como a abertura deste canal é lenta, considera-se que ele está realmente aberto quando o canal de Na+ já está fechado. Como o K+ está mais concentrado dentro da célula, ocorre um efluxo deste íon para o meio extracelular fazendo com que a célula recupere o

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seu potencial de repouso negativo. A bomba de sódio e potássio trabalha para manter constantes as concentrações de Na+ e K+ nos meios intra e extracelular, fazendo com que a célula se torne apta a responder com um novo potencial de ação. d) Fase de hiperpolarização – Essa fase pode aparecer em algumas células durante o processo de repolarização celular. Na hiperpolarização, a célula atinge voltagens mais negativas do que o potencial de repouso inicial. Isso ocorre devido a uma grande permeabilidade da célula aos íons potássio, o que provoca um grande efluxo deste íon. Esse fenômeno dura apenas milésimos de segundo e logo depois a célula recupera o seu potencial de repouso normal.

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CONDUTÂNCIA DA MEMBRANA AO NA+ E K+ A Fig. 24 mostra um potencial de ação de axônio gigante de lula e as variações de condutância da membrana aos íons Na+ e K+. Segundo Hodgkin & Huxley (1952), o aumento da condutância da membrana ao Na+ coincide com a fase de despolarização da célula. Nota-se que a condutância ao Na+ aumenta rapidamente e, logo depois, decresce. Isso se deve a inativação dos canais de Na+. Por outro lado, a fase de repolarização se deve a um aumento da condutância da membrana aos íons K+.Com isso, ocorre uma saída excessiva de K+ da célula fazendo com que ela hiperpolarize (Conde-Garcia, 1998, p.23).

Figura 24. Potencial de ação de axônio gigante de lula (linha tracejada) e as variações de condutância da membrana aos íons Na+ e K+. (Fonte: http://www.psy.jhu.edu).

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PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO No repouso, o interior do neurônio está eletronegativo devido ao efluxo de íons K+ e ao trabalho da bomba de Na+/K+, como discutido anteriormente (Fig. 25). Quando a célula é estimulada e o limiar de estimulação é alcançado, ocorre abertura de canais de Na+ o que promove a entrada deste cátion tornando a célula carregada positivamente. O aumento da voltagem estimula a abertura de novos canais de Na+ da membrana. A corrente despolarizante, transportada pelo Na+, se propaga em ambas as direções ao longo do axônio. Portanto, uma membrana excitável não se propaga em única direção a partir do ponto estimulado. Após a passagem do potencial de ação por uma região da membrana, os canais de Na+ abertos se fecham enquanto que os canais de K+ se abrem, promovendo a repolarização e o restabelecimento do potencial de repouso. A onda elétrica assim formada é conhecida como impulso nervoso ou muscular.

Figura 25. Propagação do potencial de ação ao longo de uma célula nervosa (Fonte: http://www.passeiweb.com).

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PRINCÍPIO DO TUDO OU NADA

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A partir do momento em que, num ambiente adequado, uma célula despolariza e o seu limiar de estimulação é alcançado, o potencial de ação é inevitável. Se este limiar não for atingido, ou seja, se o influxo de sódio não for suficientemente forte para despolarizar adequadamente a célula então não ocorrerá o potencial de ação. Por isto, o processo de produção deste potencial é conhecido como sendo um fenômeno do tipo “tudo ou nada” e se aplica a qualquer célula excitável (Guyton, 2006, p.56).

VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO A velocidade de propagação do potencial de ação em células nervosas é de 0,25 m/s em fibras amielínicas e de 100 m/s naquelas mielinizadas. A mielina funciona como um isolante elétrico e é constituída por lipídios. Nas fibras mielinizadas, a membrana axônica somente está exposta nos nódulos de Ranvier (procure conhecer o que são tais nódulos) e como eles estão separados por uma distância relativamente grande o potencial de ação nestas fibras salta de nódulo para nódulo ao invés de propagar-se de forma contínua, isto é, ponto-a-ponto (Guyton, 2006, p.56).

POTENCIAL DE AÇÃO DA CÉLULA CARDÍACA O comportamento elétrico do coração tem sido estudado com o auxílio de microeletrodos de vidro cuja ponta, por ser diminuta, pode perfurar a membrana celular sem alterar significativamente o funcionamento normal dos cardiomiócitos. No músculo cardíaco, três tipos de potenciais de ação podem ser observados: 1) potencial de ação rápido ou completo, o que apresenta uma fase de despolarização ampla e de desenvolvimento rápido e que é característico dos potenciais de ação das células atrias, ventriculares, feixe de His e fibras de Purkinje, 2) potencial de ação lento ou incompleto, os que se despolarizam com baixa taxa de variação de voltagem e possuem pequena amplitude e potencial de repouso inconstante ocorrendo nesta fase uma despolarização diastólica lenta. Estas respostas elétricas, chamadas de lentas, apresentam-se, caracteristicamente, nos nódulos sinusal e atrioventricular (Mendez, 1982; Conde-Garcia, 1998, p.28) e, finalmente, 3) potencial de ação de transição. Estes têm um potencial de repouso constante, mas o componente rápido que gera a fase de despolarização não é completamente desenvolvido e, por isso, a amplitude do potencial de ação é produzida pelo componente lento que está associado ao platô desses potenciais. O potencial de ação de uma célula cardíaca apresenta 4 fases, como pode ser visto na Fig. 26 que mostra um potencial de ação completo. 39

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Figura 26. Fases do potencial de ação de uma célula cardíaca (Conde-Garcia, 1998, p.28).

Fase 0 (despolarização). Quando a diferença de potencial entre os lados da membrana de uma célula miocárdica atrial ou ventricular atinge o potencial limiar, os canais rápidos de sódio, inicialmente, fechados, começam a abrir-se rapidamente permitindo que este íon se mova do meio externo, onde está mais concentrado, para o meio intracelular. Essa rápida difusão de Na+ promove uma despolarização rápida e o potencial elétrico do interior da célula acaba por inverter sua polaridade, deixando de ser negativo (fase de repouso) para se tornar positivo (fase 0). A passagem do sódio pela membrana das células se dá através dos canais rápidos de Na+, que são proteínas formadoras de poros e cuja configuração estrutural depende essencialmente da diferença de potencial elétrico a ela aplicada. O influxo de Na+ é limitado pela própria despolarização celular, pois, neste tipo de canal, ocorre o processo de inativação. Fase 1 (repolarização incompleta). Durante esta fase, acontece uma repolarização parcial da célula devido ao efluxo de K+ através dos canais Kto e ao influxo de Cl-. O canal Kto (“transient outward”) é um canal de ativação transitória. É ativado na fase 0 do potencial de ação mas, logo em seguida, sofre inativação. A saída de íons K+ por esse canal promove uma leve diminuição do potencial de membrana, mas não permite a completa repolarização da célula. Fase 2 (platô). É a fase em que a célula permanece despolarizada. Ocorre influxo de Na+ e Ca++ que passam pelos canais lentos de Ca++ (canal de cálcio tipo-L) existentes na membrana celular. A voltagem limiar para a abertura destes canais está em torno de –40 a –50 mV. Durante essa fase, também há uma diminuição da condutância global da membrana ao K+, permitindo que a célula mantenha-se despolarizada. Fase 3 (repolarização). Nesta fase, a condutância global ao K+ retoma o seu valor original e, como o interior da célula está positivo em relação ao exterior, há um rápido efluxo de K+, transferindo carga positi-

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va para fora da célula e permitindo assim que o potencial negativo intracelular seja novamente restabelecido. A este processo chamase de repolarização. Durante esta fase, ocorre a abertura de vários tipos de canais de potássio (Hoffman; Cranefield, 1993; Conde-Garcia, 1998, p.28). - Canal tipo K1 (“inward rectifier”) – na fase de repouso a condutância do canal K1 está alta. Com a despolarização da célula, a condutância deste canal diminui não permitindo que o K+ saia da célula. Isso permite que a célula se mantenha despolarizada, ou seja, sua voltagem permaneça constante formando assim um platô na resposta elétrica da célula. Quando a condutância desses canais volta a aumentar a célula inicia o seu processo de repolarização (Conde-Garcia, 1998, p.31). - Canal tipo K (“delayed rectifier”) – a condutância deste canal, baixa durante o repouso, aumenta progressivamente a partir do início da despolarização da célula (fase 0). A condutância torna-se máxima no final da fase 2, fazendo com que o efluxo de íons K+ por esse canal contribua para a repolarização celular. Fase 4 (repouso). Após completado o processo de repolarização, a célula recupera o seu potencial de repouso negativo. A Fig. 27 mostra as variações da condutância da membrana aos íons + Na , K+ e Ca++ em célula cardíaca. Nota-se que quando a célula cardíaca inicia o seu processo de despolarização, fase 0, ocorre um aumento súbito da condutância da membrana ao Na+. Entretanto, como o canal logo se inativa, a condutância diminui. Na fase de platô, a condutância da membrana ao Na+ está ligeiramente aumentada. Isso se deve a entrada de Na+ pelos canais lentos de Ca++. Por outro lado, com a despolarização celular a condutância da membrana ao K+ diminui. Como foi dito, o impedimento para que o K+ saia da célula contribui para mantê-la em platô. A condutância da membrana ao K+ volta a aumentar no final da fase 2 o que irá favorecer a repolarização da miócito cardíaco. A condutância da membrana ao Ca++ somente aumenta na fase de platô. Apesar do pequeno aumento de condutância, a grande diferença de concentração de Ca++ entre as duas faces da membrana permite um Figura 27. Potencial de ação de uma célula cardíaca (A) e grande influxo desse íon na célula (Conde- variações da condutância da membrana aos íons Na+, K+ e Ca++(B) (Conde-Garcia, 1998, p.29). Garcia, 1998, p.29). 41

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POTENCIAL DE AÇÃO LENTO As células marcapasso apresentam potenciais de ação com fase 0 caracterizada por uma taxa de despolarização muito baixa (< 50 V/s), bem como por uma ausência das fases 1 e 2 (Fig. 28). As células sinusais são auto-excitáveis em virtude de apresentarem uma fase 4 instável. Nela ocorre uma despolarização diastólica lenta (DDL), também conhecida como potencial marcapasso. Segundo Lipsius et al. (2001), a DDL é produzida por vários fatores, entre eles: 1) diminuição progressiva da condutância da membrana ao K+; 2) aumento do influxo de Na + através dos canais “funny”, que são ativados pela hiperpolarização da célula; 3) aumento do influxo de Ca +2 através dos canais tipo-L e tipo-T, e 4) aumento da corrente de entrada por meio do trocador Na +/Ca +2. Esta despolarização lenta progride até que seja alcançado o potencial limiar quando, então, o número de canais de Na+ e de Ca+2 abertos, por unidade de área da membrana, supera o número desses canais que estão fechados, levando uma corrente despolarizante para o interior das células (fase 0). Em seguida, após um platô incompleto, a condutância global da membrana ao K+ cresce permitindo a sua saída da célula, produzindo a repolarização. Este fenômeno se desenvolve mais lentamente do que a despolarização (Carvalho et al., 1999).

Figura 28. Potencial de ação de célula marcapasso (Fonte: http://www.virtual.epm.br).

A frequência com que as células marcapasso geram potencias de ação depende de vários fatores, tais como: 1) taxa de variação da despolarização, pois quanto maior a inclinação, menor será o tempo

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Potencial de membrana e potencial de ação

para que o potencial limiar seja atingido e, consequentemente, maior será a frequência de produção dos potenciais de ação; 2) nível do potencial limiar, pois quanto mais próximo estiver do potencial diastólico máximo, maior será a frequência do marcapasso e 3) nível do potencial diastólico máximo, pois quanto mais hiperpolarizada, menor será a frequência do marcapasso (West, 1972; Cranefield, 1975; Katz, 1977). O coração é inervado tanto pelo sistema simpático, quanto pelo parassimpático, e esses nervos desempenham um importante papel na regulação da frequência do marcapasso. Sob estimulação vagal, há aumento na liberação tissular de acetilcolina, o que leva à abertura de canais de K +, hiperpolarizando a célula e tornando a DDL mais lenta e, consequentemente, reduzindo a taxa de potenciais de ação gerados pelo marcapasso. Inversamente, a estimulação simpática produz a liberação de catecolaminas nos terminais pós-sinápticos, o que estimula a abertura de canais de Na+ e Ca+2, acelerando a DDL, apressando a despolarização das células e, por conseguinte, aumentando a frequência do marcapasso (Carvalho et al., 1999)

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CONCLUSÃO Podemos concluir que o fluxo de íons através da membrana plasmática determina o seu potencial de repouso e o seu potencial de ação. O potencial de repouso negativo se deve, principalmente, a saída de potássio das células através dos canais de vazamento e ao trabalho da bomba de Na+/K+. Durante o potencial de ação, o influxo de Na+ promove a despolarização celular, enquanto que o efluxo K+ promove a sua repolarização. O potencial de ação em célula cardíaca envolve a participação do íon cálcio. Este entra na célula na fase 2 do potencial de ação e, a sua entrada, irá disparar a liberação subsequente de cálcio estocado no retículo sarcoplasmático. O aumento do cálcio livre no citoplasma irá favorecer a contração muscular. O potencial de ação de células marcapasso tem como característica principal a despolarização diastólica lenta, no qual a célula despolariza progressivamente até alcançar o limiar de estimulação. A frequência de disparo destas células irá determinar a frequência cardíaca do indivíduo.

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RESUMO No potencial de repouso, o interior do neurônio está eletronegativo em relação ao meio extracelular. Esta eletronegatividade se deve principalmente a saída de K+ da célula através dos canais de vazamento e ao trabalho da bomba de Na+/K+. Durante o potencial de ação a célula passa a ficar mais permeável ao Na+, que passa a entrar na célula através dos canais dependentes de voltagem permitindo que a célula despolarize. Logo em seguida, a membrana torna-se permeável ao K+ deixando sair este íon, repolarizando e recuperando o seu estado de repouso. Em célula muscular cardíaca, o Na+ também é íon responsável pela despolarização enquanto que o K+ pela repolarização. Entretanto, o potencial é mais complexo com influxo de cálcio, na fase 2, essencial para disparar o mecanismo de contração muscular. A célula marcapasso, apresenta um potencial de repouso (fase 4) instável conhecida como despolarização diastólica lenta (DDL). Nesta fase, a célula despolariza lentamente até alcançar o limiar de estimulação com consequente abertura de canais de Na+ e Ca++, íons responsáveis pela despolarização. A repolarização acontece por saída de K+. A DDL acontece pelo somatório de várias correntes de entrada (Na+, Ca++) e a não saída de K+.

PRÓXIMA AULA Na próxima aula estudaremos a biofísica da visão.

REFERÊNCIAS CARVALHO, A. C. C.; et al. Eletrofisiologia do Coração. In. Fisiologia. Ed. AIRES, M. M. 2 ed, Rio de Janeiro, Ed. Guanabara Koogan, 1999. CONDE-GARCIA, E. A. C. Biofísica. Ed. Savier, 1998. CRANEFIELD, P.F. The conduction of cardiac impulse. Futura Publishing Company, New York, 1975. GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica, Ed. Elsevier, 11 ed, 2006. HOFFMAN, B. F.; CRANEFIELD, P.F. In: Physiology. 3 ed. Ed. Berne, R. M. e Levy, M. N., 1993. KATZ, A. M. Physiology of the heart. Raven Press, 1977. LIPSIUS, S. L.; HUSER, J.; BLATTER, L. A. Intracellular Ca2+ release sparks atrial pacemaker activity. News in Physiological Sciences, p. 101-106, 2001.

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MENDEZ, C. Characteristics of impulse propagation in the mammalian atrioventricular node. In: Normal and abnormal conduction in the heart. Ed. Paes de Carvalho, A; Hoffman, BF e Libearman, M. New York, p. 363, 1982. WEST, T. C. Electrophysiology of the sinoatrial node. In: Electrical phenomena in the heart. Ed. De Mello, W. C. Academic press, 1972. www.biol.sc.edu/~vogt/courses/neuro/ap-image.jpg http://www.psy.jhu.edu/~fortune/Courses/systems/exams/exam1/f5_06.jpg http://www.passeiweb.com/na_ponta_lingua/sala_de_aula/biologia/ imagens/impulso_nervoso.jpg

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Aula BIOFÍSICA DA VISÃO

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META Compreender o mecanismo sensorial responsável pela formação da visão, assim como algumas patologias que afetam este processo.

OBJETIVOS Ao final desta aula, o aluno deverá: descrever a anatomia do globo ocular; descrever a íris e o papel da pupila na visão; descrever o processo de acomodação do cristalino; descrever o papel da retina na formação da imagem; descrever a cadeia das reações que fazem a ativação da rodopsina pela luz; e compreender as principais ametropias do olho e as suas correções.

PRÉ-REQUISITOS Para entender esta aula é preciso revisar a anatomia do globo ocular.

Olho (Fonte: http://www.gettyimages.com).

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INTRODUÇÃO O globo ocular é um sensor poderosíssimo. Juntamente com o cérebro, capta as imagens que desvendam o mundo exterior com todas as suas formas, relevos, cores e movimentos. As suas lentes, córnea e cristalino, permitem que olho seja capaz de focalizar objetos situados distantes ou bem próximo a nossa face. Podemos visualizar objetos na penumbra ou no claro. Muitos comparam o funcionamento do olho com aquele das máquinas fotográficas, porém a versatilidade do olho é muito superior. Quando focalizamos um objeto, os raios luminosos penetram na córnea, atravessam o humor aquoso, entram pelo orifício da íris, a pupila, atravessam o cristalino e o corpo vítreo chegando finalmente na retina. Nela, a imagem do objeto se forma invertida e menor. Entretanto, nosso cérebro interpreta corretamente o que estamos vendo.

A Retina é uma membrana sensorial que recebe os raios luminosos. É responsável pela formação de imagens e transformação da luz captada em sinais elétricos que serão enviados ao cérebro. (Fonte: opticaatlantis.blogspot.com).

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ANATOMIA DO GLOBO OCULAR

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O globo ocular apresenta aproximadamente 24 mm de diâmetro e está encapsulado quase totalmente por uma membrana de cor branca chamada de esclerótica ou esclera (Fig. 29).

Figura 29. Representação esquemática das estruturas do globo ocular. (Fonte: http://pt.wikipedia.org).

A porção posterior do globo ocular é formada por três membranas ou túnicas. De fora para dentro elas são: 1. Esclerótica – Também chamada esclera ela é uma membrana rígida formada por fibras colágenas e elásticas cuja a função é manter o formato globoso do olho. Nesta membrana estão inseridos as fibras de 6 músculos extra-oculares que controlam os movimentos do globo ocular. Os músculos são: oblíquo maior, oblíquo menor, reto interno, reto externo, reto superior e reto inferior (Conde-Garcia, 1998, p.252, Aires, 2008, p.253). 2. Coróide – Localiza-se anteriormente à esclerótica e apresenta-se intensamente pigmentada, pois é rica em melanina. Assim, ela contribui para formar, dentro do globo ocular, uma câmara escura, diminuindo o índice de reflexão da luz na retina. Pela coróide cursam numerosas artérias e veias e, com isso, ela se torna responsável pela nutrição das células da retina chamadas de fotoreceptores, que são de dois tipos: os cones e os bastonetes.

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3. Retina – localizada anteriormente à coróide, sendo a mais interna. Ela é formada por 10 camadas (Conde-Garcia, 1998, p.254): 1. Epitélio pigmentado 2. Camada de fotoreceptores 3. Membrana limitante externa 4. Camada nuclear externa 5. Camada plexiforme externa 6. Camada nuclear interna 7. Camada plexiforme interna 8. Camada de células ganglionares 9. Camada de fibras ópticas 10. Membrana limitante interna Funcionalmente a retina é dividida em duas regiões a retina periférica com predominância de bastonetes e a retina central formada pela fóvea. A fóvea contém apenas cones e permite que a luz atinja os fotorreceptores sem passar pelas demais camadas da retina, maximizando a acuidade visual. Os cones e os bastonetes são neurônios que fazem sinapses com as células bipolares que, por sua vez, fazem sinapses com as células ganglionares. Estes neurônios convergem para a porção posterior do olho e formam o nervo óptico responsável pela propagação do impulso elétrico ao cérebro. A região da retina de onde sai o nervo óptico e passam a artéria central da retina e a veia central da retina, responsáveis pela nutrição do globo ocular, é chamada de ponto cego. Portanto, nessa região não existem nem cones nem bastonetes e uma imagem que se forme sobre ela não pode ser visualizada. Para comprovação da existência do ponto cego você pode fazer o teste da Fig. 30. Como se faz este teste? Tampe seu olho direito e olhe no ponto do lado direito (o círculo) da figura com o seu olho esquerdo. Permaneça olhando o círculo, enquanto, lentamente movimenta-se mais perto ou mais longe da figura. Você descobrirá o ponto cego na sua visão quando a cruz não for visualizada.

Figura 30 – Teste para comprovar a existência do ponto cego na retina

Na retina formam-se as imagens reais dos objetos observados pelo globo ocular. A imagem formada na retina é invertida e menor. Cones - são os cones as células capazes de distinguir cores. Há três tipos de cones: um que se excita com luz vermelha, outro com luz verde e o terceiro, com luz azul. A imagem fornecida pelos cones é mais nítida e

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mais detalhada. Além disso, são células que operam melhor em ambientes iluminados (visão fotópica). Bastonetes – são células que não detectam luz colorida e não formam visão detalhada. Operam melhor em ambiente com baixa luminosidade (visão escotópica), ou seja, são células mais sensíveis à luz. À noite, a nossa visão depende principalmente da ativação dos bastonetes. Córnea – A córnea é uma membrana transparente que, na porção anterior do olho, dá continuidade à esclera. Ela atua como uma lente convergente. Sua estrutura não é vascularizada e sua inervação é desprovida de bainha de mielina, o que garante a sua total transparência. A córnea, juntamente com o cristalino, converge a luz para a formação da imagem na retina. Humor aquoso – O humor aquoso é o segundo meio transparente de olho. Ele está logo atrás da córnea. Este fluido está contido na câmara anterior do olho que se situa entre a córnea e o cristalino. É produzido pelo epitélio do corpo ciliar. Quando o corpo ciliar produz o humor aquoso, esse líquido é eliminado na câmara posterior do olho e depois passa para a câmara anterior. O humor aquoso é reabsorvido para as veias, através do canal de Schlemm que se situa no corpo ciliar (Fig. 31). O humor aquoso tem na sua composição, cloretos, glicose, CO2, aminoácidos, ácido láctico, uréia, proteínas, ácido ascórbico, fósforo inorgânico, ácido cítrico e ácido úrico (Conde-Garcia, 1998, p.251). Ele tem função de fornecer a maior parte dos metabólitos necessários às células da córnea e do cristalino. O volume do humor aquoso (cerca de 0,22 mL) deve ser mantido constante para que a pressão intra-ocular seja menor do que 22 mmHg.

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Figura 31. Produção do humor aquoso pelo corpo ciliar mostrando o fluxo do humor passando da câmara posterior para a câmara anterior onde vai ser drenado pelo canal de Schlemm (Fonte: http://www.merck.com).

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Íris – É uma membrana de cor variada localizada entre o humor aquoso e o cristalino. Na sua estrutura, possui músculos que lhe dão mobilidade para alterar o diâmetro do seu orifício, a pupila. O músculo dilatador da pupila, comandado pelo sistema simpático, promove aumento da pupila. Este ato é chamado de midríase. O músculo esfíncter pupilar, inervado pelo sistema parassimpático, quando ativado, promove a diminuição do diâmetro pupilar, evento que se conhece como miose. O diâmetro da pupila no ser humano varia de 1,5 a 8 mm. Com isso, ela pode controlar a entrada de luz no globo ocular. Em um ambiente muito iluminado, a pupila entra em miose para diminuir a entrada da luz no olho e em um ambiente pouco iluminado, a pupila ela se torna midriática, a fim de captar mais luz (Tabela 1). Outro fator importante que altera o diâmetro da pupila, é a distância em que o objeto visualizado se encontra do olho. Ao focalizar um objeto próximo, a pupila entra em miose, enquanto que para os objetos distantes, ela entra em midríase. A Tabela 1 ilustra alguns fatores que podem alterar o diâmetro da pupila. Tabela 1. Condições que promovem variação do diâmetro pupilar

(Fonte: Conde-Garcia, 1998, p. 250).

Cristalino – É também um meio transparente do olho. Ele se comporta como uma lente convergente do tipo biconvexa, ou seja, suas faces são convexas. Esta lente convergente focaliza a luz captada pelo globo ocular a fim de formar as imagens sobre a retina. O cristalino sofre um mecanismo conhecido como acomodação visual à distância, alterando o seu poder de convergência para focalizar sobre a retina, a imagem de objetos situados em diversas distâncias (Fig. 32). A forma do cristalino é alterada pelo músculo ciliar. Esse músculo tem fibras radiais e fibras circulares. Graças ao processo de acomodação do cristalino à distância, um olho normal pode focalizar objetos que estão perto ou longe. - Visão de objetos próximos – Na visão de objetos situados próximos ao olho, os raios de luz que penetram nele formam um pincel divergente. Para que suas imagens se formem sobre a retina e a pessoa consiga enxergar com nitidez e detalhes, é preciso que o cristalino se adapte, aumentando sua convergência o que o torna mais esférico. Isso é possível pela contração do músculo ciliar. - Visão de objetos distantes – Na visão de objetos distantes, os raios de luz que penetram no olho formam um feixe paralelo. Para que suas

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imagens se formem na retina e com isso sejam vistas com nitidez e detalhes, é preciso que o cristalino diminua a sua convergência, tornando-se mais delgado. Isso é possível pelo relaxamento do músculo ciliar.

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Figura 32. Acomodação visual do cristalino de acordo com a distância do objeto (Fonte: www.editorasaraiva.com.br).

Humor vítreo – O humor vítreo é um fluido gelatinoso e transparente que preenche a câmara situada entre o cristalino e a retina. Na sua composição química encontramos nitrogênio, mucoproteína, albumina, globulina, peptona, glicose e zinco (Conde-Garcia, 1998, p.251). A produção e a eliminação deste fluido é bem menor do que a do humor aquoso. A sua consistência gelatinosa ajuda a manter o formato globoso do olho.

FENÔMENOS ÓPTICOS O que acontece quando um feixe luminoso encontra a superfície de separação entre dois meios opticamente diferentes? Neste caso, pode ocorrer reflexão, refração ou absorção da luz (Fig. 33). Examinando a questão de forma acurada, os três fenômenos sempre acontecem, porém quase sempre há predominância de um deles (Ramalho et al., 1999, p.212). - Reflexão – Acontece em superfícies polidas. Os raios de luz de luz que se propagam no meio 1 e incidem sobre a superfície, retornam ao meio original. - Refração – Acontece quando raios de luz que se propagam no meio 1 incidem sobre uma superfície transparente S e, depois de atravessá-la, passam a se propagar num outro meio 2. - Absorção - Acontece quando os raios de luz que incidem sobre uma superfície são por ela absorvidos, transformando-se em calor. Desta forma, não são gerados nem raios refletidos, nem refratados.

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Figura 33. Fenômenos de reflexão, refração e absorção da luz ao incidir sobre uma superfície S (Ramalho et al., 1999, p.212).

A luz branca emitida pelo Sol ou por lâmpadas incandescente especiais, é constituída por uma grande variedade de cores, isto é, de luzes monocromáticas. A luz branca, assim, contém radiações com comprimento de onda que vão de 400 a 750 nm. Esta faixa do espectro eletromagnético o olho humano pode enxergar. Agrupando-se as cores pode-se dizer que o espectro visível é composto por 7 cores (cores do arco-íris): violeta, anil, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho. A Fig. 34 mostra um feixe de luz branca incidindo sobre um prisma. Ao atravessálo, a luz se decompõe e surgem muitas cores. A decomposição da luz branca está associada à diferença de velocidade de propagação dos raios luminosos num determinado meio transparente. No céu, o árcoíris se forma quando a luz branca do Sol é decomposta ao atravessar as gotículas de água contidas em nuvens de chuva (Ramalho et al., 1999, p.213). Os experimentos mostram que, quando a luz branca incide num prisma transparente, a luz que sofre menor desvio é a vermelha (maior comprimento de onda) e a que sofre maior desvio é a violeta (menor comprimento de onda). Esses prismas são usados no espectofotômetros para decompor a luz branca proveniente de uma lâmpada, permitindo assim que o comprimento de onda para análise de uma determinada solução seja escolhido.

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3 Figura 34. Decomposição da luz branca do Sol por um prisma triangular (Fonte: http://www.mundofisico.joinville.udesc.br).

LENTES Quanto ao comportamento óptico uma lente por ser classificada em convergente ou divergente. Ela é convergente quando raios paralelos que nela incidem são refratam passando por um ponto único chamado de foco. Diferentemente, os raios que incidem numa lente divergente saem dela afastando-se uns dos outros. Apenas o prolongamento deles é que convergem para um foco virtual.

FORMAÇÃO DA IMAGEM NO GLOBO OCULAR Quando olhamos um objeto, os raios luminosos dele provenientes atravessam a nossa córnea, o humor aquoso, passam pela pupila, pelo cristalino e pelo humor vítreo, chegando finalmente à retina. Nela, a imagem do objeto se forma invertida e menor. Neste percurso, a luz atravessa meios de densidades diferentes e sofre refrações. Refração é a mudança de trajetória do raio luminoso ao passar de um meio para outro. No olho, a luz sofre 4 refrações, a saber: ar-córnea, córnea-humor aquoso, humor aquoso-cristalino, cristalino-humor vítreo (Conde-Garcia, 1998, p.261): Por que a refração ocorre? A refração ocorre porque há mudança na velocidade de propagação da luz quando ela passa de um meio para outro de índice de refração diferente. Imagine uma linha imaginária dividindo o globo ocular na metade, ou seja, passando no centro das lentes córnea e cristalino. Essa linha é chamada de eixo óptico do olho. Entretanto, não é neste eixo onde se formam as imagens na retina. A fóvea está num eixo chamado de eixo visual e é nela onde se forma a imagem do objeto que se está observando. O eixo visual une a fóvea ao centro do cristalino (Fig. 35).

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Figura 35- Ilustração do globo ocular mostrando os eixo visual (linha tracejada) e o eixo óptico (linha contínua).

PIGMENTOS VISUAIS E FOTOTRANSDUÇÃO O processo de transformação da energia física da luz (eletromagnética) em potenciais elétricos envolve uma etapa química com a participação de fotopigmentos dos cones e bastonetes (Aires, 2008, p.259). Os fotorreceptores (cones e bastonetes) de todos os vertebrados respondem à luz por causa dos pigmentos visuais que possuem. Eles se encontram mergulhados na bicamada lipídica dos cones e nos discos membranosos dos bastonetes. Os bastonetes contêm o pigmento rodopsina e são responsáveis pela visão em ambiente de baixa luminosidade. Os cones contêm 3 diferentes tipos de opsinas. Uma com maior sensibilidade para o azul, outra que é sensível ao verde e outra com sensibilidade para a cor vermelha. Na ausência de luz, os canais de Na+ e Ca++ localizados na membrana do bastonete estão abertos. A corrente de entrada destes dois cátions mantém a célula despolarizada. Como consequência desta despolarização, os bastonetes no escuro estão liberando constantemente neurotrans-

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missores inibitórios (glutamato), bloqueando assim a transmissão de sinais luminosos para os neurônios de segunda ordem. Quando a luz penetra no olho, ela ativa um pigmento sensível a luz, a rodopsina. A rodopsina é uma proteína de 40.000 daltons apresentando 7 segmentos transmembranares. É formada pela junção do 11-cis-retinal com a escotopsina. O 11-cis-retinal é um derivado da vitamina A. A falta dessa vitamina pode causar cegueira noturna. A rodopsina quando exposta à luz se decompõe, provocando uma alteração física da porção 11-cisretinal de forma a alterá-la para transretinal. A rodopsina ativada é chamada de metarrodopsina II que, por sua vez, ativa uma proteína G especial chamada de transducina. Esta proteína tem 3 subunidades denominadas α, β e γ, e quando a sua subunidade a está ligada ao GDP (guanidina difosfato) ela se apresenta inativa. Quando fosforilada, α subunidade a libera o GDP e fixa o GTP (guanidina trifosfato) separando-se das outras subunidades, passando para estado ativo. A subunidade α da transducina ligada ao GTP ativa a enzima fosfodiesterase que catalisará a hidrólise do GMPc (guanidina monofosfato cíclica) em GMP (guanidina monofosfato). A diminuição dos níveis intracelulares de GMPc fecha os canais de Na+, fazendo com o bastonete hiperpolarize, isto é, fique com o seu citoplasma mais negativo. Este fenômeno se chama de hiperpolarização. Quando o bastonete hipepolariza, ele deixa de liberar o neurotransmissor inibitório – glutamato. Com isto, a célula bipolar a ele ligado transmite para os neurônios de segunda ordem, os sinais elétricos produzidos pela excitação luminosa, permitindo que a informação luminosa chegue ao cérebro (Aires, 2008, p. 262). Quanto mais fótons de luz são absorvidos pela rodopsina mais canais de Na+ se fecham e menos neurotransmissor é liberado (Fig. 36).

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Figura 36. Mecanismo de ativação da rodopsina pela luz (Fonte: http://www.unizar.es).

O cérebro humano tem áreas específicas, localizadas na região occipital, que recebem e decodificam as mensagens captadas pelos olhos, transformando-as no que chamamos de visão.

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PATOLOGIAS DO GLOBO OCULAR Em um olho emétrope ou normal as imagens são formadas corretamente na retina, portanto, a visão é nítida. Quando isso não ocorre, dizemos que o olho apresenta uma ametropia, isto é, há um defeito na visão. Dentre esses defeitos destacam-se a miopia, a hipermetropia, o astigmatismo, o estrabismo e a presbiopia. Muitos outros quadros patológicos ainda existem. Para citar uns poucos, podemos lembrar do glaucoma, daltonismo, catarata e conjuntivite. Miopia - Na miopia a formação da imagem ocorre antes da retina, porque o olho é anormalmente longo ou o cristalino apresenta-se excessivamente convergente. A consequência disso é dificuldade de focalizar objetos distantes, ou seja, os míopes enxergam mal os objetos que estão longe. A correção da miopia se faz com o uso de lentes (óculos ou lentes de contato) divergentes. Atualmente, já há correção cirúrgica para a miopia (Fig. 37a).

Figura 37a. Representação esquemática do processo de formação da imagem em um olho com miopia. (Fonte: http://www.colegiosaofrancisco.com.br).

Hipermetropia - Na hipermetropia a formação da imagem ocorre, teoricamente, atrás da retina, porque o olho é curto demais ou o cristalino apresenta-se com convergência diminuída. A consequência disso é a dificuldade de focalizar objetos próximos ou seja, os hipermétropes enxergam mal objetos próximos. Este defeito pode ser corrigido com lentes convergentes (Fig. 37b).

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Figura 37b. Representação esquemática do processo de formação da imagem em um olho com hipermetropia. (Fonte: http: www.colegiosaofrancisco.com.br).

Astigmatismo - O astigmatismo consiste em uma irregularidade na curvatura da córnea e mais raramente, do cristalino. Em consequência, o olho não é capaz de distinguir nitidamente linhas verticais e horizontais. Para as pessoas que sofrem de astigmatismo, os objetos próximos ou distantes ficam distorcidos. As imagens ficam embaçadas porque alguns dos raios de luz são focalizados e outros não (Robortella, 1984). O uso de lentes cilíndricas corrige o astigmatismo (Heneine, 2006, p.316). Presbiopia - A presbiopia costuma ocorrer a medida que uma pessoa envelhece e é conhecida popularmente como “vista cansada”. Com a idade, o cristalino vai perdendo a sua elasticidade. Com isto, o músculo ciliar não consegue fazer com que o cristalino modifique a sua forma de modo a se adaptar para objetos distantes ou próximos. Este processo é progressivo e se acentua com o aumento da idade, mas normalmente se estabiliza ao redor dos 60 anos. Uma lente convergente corrige o defeito, fazendo com que objetos próximos sejam vistos com nitidez (Robortella, 1984). Catarata - A catarata é uma lesão ocular que torna opaco o cristalino. Com isso, os raios de luz não conseguem atravessá-lo e, assim, não alcançam a retina para formar a imagem, comprometendo a visão. As causas mais frequentes são: 1. Ação das radiações ionizantes que provocam desnaturação das proteínas que compõe o cristalino. 2. Acúmulo de cálcio no cristalino, opacificando a lente. 3. Diabetes

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4. Uso sistemático colírios que contêm corticóides, 5. Inflamações intra-oculares 6. Traumatismos Geralmente a catarata acomete indivíduos acima de 50 de idade. Entretanto, nos três primeiros meses de gestação se a mãe contrair rubéola ou toxoplamose, a criança pode nascer com catarata. O único tratamento para catarata é o cirúrgico que tem o objetivo de substituir o cristalino danificado por uma lente artificial que recuperará a função perdida. Glaucoma – é uma doença que ocorre pela elevação da pressão intraocular (> 22 mmHg). O glaucoma pode ter duas causas: produção excessiva de humor aquoso ou dificuldade de drenagem pelo canal de Schlemm. Ambas as causas, aumentam o volume do humor aquoso aumentando a pressão intra-ocular. Este aumento de pressão pode provocar: a) lesões no nervo óptico e, como é o nervo que conduz a informação ao cérebro essa lesão pode levar à cegueira permanente. b) dificuldade de irrigação sanguínea das células de retina levando a destruição dos fotorreceptores, levando também a cegueira permanente. O glaucoma tem tratamento com uso de colírios, medicamentos orais, cirurgia a laser, cirurgias convencionais ou uma combinação desses métodos. O propósito do tratamento é manter a pressão intra-ocular em níveis baixos. Estrabismo - O estrabismo é um termo usado em casos de desalinhamento dos eixos visuais (desvio dos olhos) que está associado a um desequilíbrio do funcionamento dos músculos extra-oculares. O estrabismo ocorre entre 2 e 4 % da população, afeta igualmente homens e mulheres e pode ser hereditário ou não.

CONCLUSÃO O olho humano possui células fotossenssíveis que respondem a uma estreita faixa do espectro eletromagnético, a luz visível. A luz, antes de chegar na retina, deve atravessar sucessivamente 4 meios transparentes: córnea, humor aquoso, cristalino e humor vítreo. Na retina, a luz ativa os pigmentos visuais dos cones (iodopsinas) e dos bastonetes (rodopsinas), promovendo o fechamento de canais iônicos e a hiperpolarização dos neurônios visuais. Com isso, não há liberação de neurotransmissores inibitórios e a informação pode chegar ao cérebro.

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Biofísica da Visão

RESUMO

Aula

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A luz visível captada pelo globo ocular atinge a córnea que atua como uma lente, convergindo a luz para o interior do globo ocular. Essa luz atravessa o humor aquoso e entra pelo orifício da íris, a pupila. Duas situações principais alteram o diâmetro da pupila: distância do objeto e intensidade de luz do ambiente. Na visão de objetos próximos ou em ambiente claro, a pupila diminui o seu orifício (miose) e na visão de objetos distantes ou em ambiente escuro, a pupila se dilata (midríase). Depois de passar pela pupila, a luz atinge o cristalino que sofre acomodação de acordo com a distância do objeto. Ao tentarmos focalizar um objeto próximo o cristalino fica mais convergente (mais esférico) e ao focalizar um objeto distante o cristalino tem a sua convergência diminuída (mais delgado). Este mecanismo permite um indivíduo focalizar a imagem na retina e enxergar com nitidez os objetos. Depois do cristalino, a luz atravessa o humor vítreo e, finalmente, chega à retina. É na retina que estão os neurônios sensíveis à luz, os cones e bastonetes. No escuro, estas células estão constantemente despolarizadas, em virtude de ter na suas membranas canais iônicos de sódio e cálcio que estão abertos permitindo a entrada destes dois cátions na célula. Quando a luz chega na retina ocorre a ativação de fotopigmentos (rodopsinas e iodopsinas) que levam à diminuição dos níveis intracelulares de GMPc promovendo o fechamento destes canais e levando a hiperpolarização destes neurônios. A hiperpolarização inibe a liberação do glutamato, o que resulta em desinibição do neurônio bipolar liberando a transmissão dos sinais luminosos para o cérebro.

ATIVIDADES 1. Explique o processo de acomodação do cristalino.

COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES O processo de acomodação do cristalino se refere a sua alteração de geometria ou poder de convergência de acordo com a distância em que o objeto se encontra do globo ocular. Explique as modificações sofridas pelo cristalino na visão de perto e de longe.

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2. Explique a alteração do diâmetro pupilar de acordo com a luminosidade do ambiente e distância do objeto.

COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES Comentário: tanto a distância do objeto quanto a quantidade de luz do ambiente alteram o diâmetro pupilar. Explique como a pupila está no claro e escuro e quando você tenta focalizar um objeto próximo ou distante do globo ocular. Não esqueça de explicar, em cada situação, os músculos e nervos envolvidos em cada processo. 3. Para sedimentar a nossa aula de visão você poderia assistir vídeos sobre o sentido da visão. Acesse o site: http://www.youtube.com/ watch?v=CR0_ZldQjKQ&feature=related

PRÓXIMA AULA Na próxima aula nós estudaremos outro sentido do corpo humano, a audição.

REFERÊNCIAS AIRES, M. M. Fisiologia. 3 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008. CONDE-GARCIA, E. A. C. Biofísica. Ed. Savier, 1998. HENEINE, F. H. Biofísica Básica. Ed. Atheneu, 2006. RAMALHO, F.; FERRARO, N. G., SOARES, P. A. T. Os fundamentos da física 2. Termologia, Óptica e Ondas. Ed. Moderna, 1999. ROBORTELLA, A. Óptica Geométrica, v. 4, Ed. Ática, 1984. http://pt.wikipedia.org/wiki/Humor_v%C3%ADtreo http://www.merck.com/mmpe/print/sec09/ch103/ch103a.html www.editorasaraiva.com.br

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Aula BIOFÍSICA DA AUDIÇÃO

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META Compreender o mecanismo sensorial responsável pela formação da audição humana, assim como, algumas patologias que afetam este processo.

OBJETIVOS Ao final desta aula, o aluno deverá: descrever a anatomia do aparelho auditivo; descrever a função biofísica do ouvido externo, médio e interno; descrever o processo de amplificação do som no ouvido médio; descrever como a energia mecânica do som é transformada em elétrica no ouvido interno; compreender o mecanismo de percepção e análise do som; e compreender alguns tipos de surdez

PRÉ-REQUISITOS Para entender esta aula é preciso de um conhecimento prévio de anatomia do aparelho auditivo.

Aparelho auditivo (Fonte: http://www.gettyimages.com).

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INTRODUÇÃO O ouvido humano possui três funções distintas: a audição, o equilíbrio corporal e orientação espacial do indivíduo. Neste capítulo, daremos ênfase ao sentido da audição. Ouvir é um dos cinco sentidos do corpo humano e para que uma pessoa escute, uma gama considerável de eventos precisam acontecer. Um som audível para ser produzido, precisa se propagar em um dado meio para que chegue ao seu aparelho auditivo. Este deve funcionar e transmitir as informações do som (frequência, amplitude, timbre, localização da fonte sonora) para o nervo auditivo. Este último, por sua vez, deve conduzir tais informações, via células auditivas, para o córtex cerebral que interpretará os impulsos elétricos. Todas estas etapas constituem a audição. É um longo caminho que perpassa muitos fenômenos físicos. Neste capítulo, aprenderemos o trajeto do som pelos ouvidos externo, médio e interno, aprenderemos as várias transformações de energia que o som sofre neste percurso, como acontece a amplificação das ondas sonoras captadas e também o controle desta amplificação. Veremos o mecanismo de controle da pressão dentro do ouvido médio e alguns tipos de surdez e suas respectivas causas.

A vibração do som atinge a membrana do tímpano que funciona como se fosse uma membrana de um tambor super sensível. Estas vibrações fazem a membrana timpânica vibrar (Fonte: http://sentidos5espsmm.blogspot.com).

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Biofísica da audição

CONCEITOS BÁSICOS

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O som é um tipo de energia mecânica decorrente da transmissão de energia de partículas de ar em vibração. A altura do som depende da frequência da onda sonora e é expressa em Hertz (Hz). O Hz corresponde ao número de ciclos por segundo. Por exemplo, uma onda sonora de 300 Hz equivale a 300 ciclos ou oscilações por segundo. De acordo com a frequência, o som pode ser definido como grave, médio ou agudo. Sons de baixa frequência são graves e de alta frequência são agudos. O ouvido humano é capaz de detectar sons com frequência entre 16 Hz a 17.000 Hz (Conde-Garcia, 1998, p.118). Nossos ouvidos não têm a capacidade de perceber sons com frequências abaixo de 16 Hz (infra-sons) ou frequências acima de 17.000 Hz (ultra-sons). O timbre é uma qualidade do som que depende do somatório das muitas frequências que o compõem. A intensidade sonora corresponde à amplitude de vibração de uma onda sonora. De acordo com a intensidade, o som pode ser fraco (pequena amplitude) ou forte (grande amplitude). A unidade de intensidade é o decibel. O ouvido humano á capaz de detectar sons na faixa de 0 a 120 decibéis. Acima de 120 dB, o som pode induzir uma sensação dolorosa.

APARELHO AUDITIVO O ouvido humano pode ser subdividido em ouvido externo, médio e interno (Fig. 38).

Figura 38. Aparelho auditivo humano mostrando o ouvido externo, médio e interno (Fonte: http://www.prof2000.pt).

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OUVIDO EXTERNO O ouvido externo é formado por duas estruturas, o pavilhão auricular ou orelha e canal auditivo externo. A orelha apresenta formas e tamanhos variados. Apenas os mamíferos possuem pavilhão auricular. Os morcegos e baleias emitem e captam ultra-sons e infra-sons, respectivamente. Essas ondas sonoras podem ser refletidas pelos objetos, permitindo que estes animais localizem a posição dos objetos à sua volta. O pavilhão auricular tem a função de captar as ondas sonoras e direcioná-las para o meato acústico. Entretanto, grande parte dos sons audíveis é refletido no pavilhão auricular, pois ela é menor que a maioria dos comprimentos de onda dos sons (Menezes et al, 2005). O pavilhão também auxilia na localização da fonte sonora. O meato acústico externo possui um comprimento de aproximadamente 2 a 3 cm, está preenchido por ar e sua extremidade interna é fechada pela membrana timpânica. Sua função é transferir o som captado pela orelha até o ouvido médio.

OUVIDO MÉDIO O ouvido médio está incrustado numa cavidade óssea. Ele é preenchido por ar atmosférico e comunica-se com a nasofaringe através da trompa de Eustáquio. É formado pela membrana timpânica ou tímpano, uma cadeia de ossículos, trompa de Eustáquio e pelos músculos tensor do tímpano e estapédio. Tímpano – é uma membrana que delimita o ouvido externo do ouvido médio. Possui uma coloração perolada e com formato de um cone ou funil cujo vértice está ligeiramente voltado para dentro do ouvido médio. Apresenta uma espessura de 1 mm e um diâmetro de 64 mm2 (Fig. 39).

Figura 39. Fotografia da membrana timpânica vista pelo ouvido médio. Observe que o tímpano tem com perolada e uma forma de funil (Fonte: http://www.actaorl.com.br).

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Biofísica da audição

O tímpano apresenta 4 regiões (Conde-Garcia, 1998, p.119): 1- Umbo – corresponde ao vértice do funil. 2- Stria mallearis – é a região do tímpano que faz contato direto com o primeiro ossículo da cadeia auditiva, o martelo. Esse contato cria um aspecto de “cicatriz” no tímpano. 3- Porção flácida – região flácida do tímpano também chamada de membrana de Scharapnell. Esta região circunda a stria mallearis, ou seja, o local de ligação do martelo. 4- Porção tensa – refere-se às bordas do tímpano (Fig. 40).

Aula

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Figura 40. Anatomia do tímpano vista pelo meato acústico externo. F, porção flácida; S, stria mallearis; U, umbo e T, porção tensa (Conde-Garcia, 1998, p. 119).

PADRÃO DE VIBRAÇÃO DO TÍMPANO Grande parte da energia da onda sonora captada pelo pavilhão auricular e conduzida pelo meato acústico externo é transferida para o tímpano. Com o impacto das ondas sonoras, o tímpano vibra. O padrão de vibração do tímpano é bastante complexo e depende da frequência e da intensidade do som recebido. Para frequências baixas, o tímpano vibra como um corpo quase rígido e para frequências maiores do que 2.400 Hz o padrão de vibração é segmentar. Vibrando segmentarmente, o tímpano pode reduzir a sua área de vibração para 60 a 75% de sua área total.

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Biofísica para Biólogos

Vibrando menos, o tímpano transfere menos energia ao martelo, primeiro ossículo da cadeia auditiva (Conde-Garcia, 1998, p.123). Nós vimos que o ouvido humano é capaz de detectar sons com intensidade entre 0 a 120 decibéis. Um som de 0 dB (praticamente o silêncio) já é capaz de vibrar o tímpano. O deslocamento do tímpano para este som é de 1,1 x 10-11 m, isto corresponde a um deslocamento de 1/10 do diâmetro do átomo de hidrogênio. Para um som de 120 dB (limiar máximo da audição) a vibração do tímpano é na ordem de 1,1 x 10-5 m, o que corresponde a 1/100 do milímetro (Heneine, 2006, p. 329). Ossículos – o ouvido médio possui em seu interior 3 ossículos (Fig. 41): - Martelo – conectado internamente ao tímpano, o martelo pesa aproximadamente 20 mg e é formado por uma cabeça, uma apófise longa, uma apófise curta e um braço (Conde-Garcia, 2008, p. 120). - Bigorna – está situada entre o martelo e estribo, pesa cerca de 27 mg e é formado por um ramo curto e outro longo. - Estribo – é o último ossículo da cadeia auditiva e está em contato com a cóclea através da janela oval. O estribo pesa cerca de 2,5 mg e é formado por uma cabeça, um ramo e uma base.

Figura 41. Cadeia de ossículos mostrando o sistema de alavanca constituído pela bigorna (1), estribo (2) e martelo (3) (www.jewishhospital.org).

Estes ossículos estão conectados e formam uma alavanca tendo um papel importante na transmissão das vibrações sonoras desde a membrana timpânica até a base do estribo. A alavanca, formada pelos ossículos, promove um ganho mecânico de 1,3 vez, ou seja, a pressão exercida pelo estribo sobre a janela oval (pertence ao ouvido interno) é 1,3 vez ou 30 % maior do que aquela aplicada pelo tímpano sobre o primeiro ossículo, o martelo. Outro ganho mecânico é promovido pela relação entre a superfície da área da membrana timpânica (64 mm2) e da janela oval (3,2 mm2). A área da janela oval é de aproximadamente 13 a 16 vezes menor do que

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Biofísica da audição

a área da janela oval. O ganho global promovido pelo ouvido médio é calculado multiplicando-se o ganho da alavanca 1,3 pela relação entre as áreas das duas membranas. Considerando que a relação entre as áreas das duas membranas é de 13 vezes, o ganho total (Gt) será: Gt = 1,3 x 13 = 16,9 vezes Considerando que a relação entre as áreas das duas membranas é de 16 vezes, o ganho total (Gt) será: Gt = 1,3 x 16 = 20,8 vezes Podemos concluir que a amplificação global promovida pelo ouvido médio pode chegar até 21 vezes, o que corresponde a um ganho de 27 a 35 dB. Sem este mecanismo de amplificação do som haveria uma perda auditiva de aproximadamente 30 dB. O ganho mecânico é fundamental para que as ondas sonoras captadas pelo pavilhão auricular consigam chegar ao ouvido interno e ativar as células sensoriais que irão transmitir as informações ao cérebro. Entretanto, existe uma grande barreira à propagação do som. Quando um som propagado pelo meio aéreo (ouvido médio) atinge a interface com o meio líquido (ouvido interno), a maior parte de sua energia sonora (99,9 %) sofre reflexão em função da diferença de densidade entre esses dois meios (ar e água). Apenas 0,1 % sofre refração e consegue passar para o ouvido interno (Aires, 2006, p. 285). Outra perda de energia sonora acontece quando o som se propaga pelo ar. No ar, o som sofre um fenômeno de amortecimento, ou seja, a intensidade do som diminui à medida que o som se afasta da fonte emissora. O amortecimento do som acontece tanto no ouvido externo, quanto no interno. Trompa de Eustáquio - é um conduto que comunica o ouvido médio ao nasofaringe. O equilíbrio entre a pressão atmosférica e a do ar contido no ouvido médio é dada pela trompa de Eustáquio. Esse equilíbrio é indispensável para que a unidade tímpano-ossicular vibre sem obstáculos. Este canal se encontra fechado sob a ação do palato. Durante a deglutição ou bocejo ocorre a abertura

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ATIVIDADES Será que há perda total da audição na ausência de ossículos e do tímpano?

COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES Quando não se tem nem a cadeia de ossículos nem a membrana timpânica, as ondas sonoras chegam até a cóclea pela janela oval através do ar ou vibrando diretamente a janela redonda. Com isso, ocorre uma diminuição de cerca de 15 a 20 decibéis na sensibilidade auditição, em virtude da falta da transmissão ossicular.

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da trompa de Eustáquio e equalização das pressões entre os ouvidos médio e externo. Algumas situações alteram a pressão dentro do ouvido médio: 1. Mergulho – quando o indivíduo mergulha a pressão externa aumenta. Com isso, a pressão dentro do ouvido médio fica inferior à pressão externa. Esta pressão negativa dentro do ouvido médio traciona a membrana timpânica para dentro do ouvido médio. 2. Obstrução da trompa de Eustáquio – em situações de inflamação com obstrução da trompa o ar, contido dentro do ouvido médio, é absorvido e a pressão dentro desta cavidade fica menor do que a pressão atmosférica. Isto empurra o tímpano para dentro do ouvido médio. Em caso de obstrução crônica da trompa de Eustáquio pode-se colocar um tubo de ventilação no tímpano. Este tubo é um microcapilar, que perfura a membrana e iguala as pressões entre os ouvidos externo e médio. 3. Altitude – em grandes altitudes, por exemplo durante uma viagem em avião com cabine não-pressurizada, a pressão atmosférica é reduzida, empurrando o tímpano para o meato acústico externo. Para igualar as pressões entre as duas faces da membrana timpânica é recomendado bocejar ou mastigar chiclete, condições que abrem a trompa de Eustáquio. As três situações explicadas acima tensionam o tímpano. Este, por não vibrar corretamente, promove a perda da acuidade auditiva. Quando a diferença pressão entre os dois lados da membrana timpânica alcança valores entre -60 a -80 mmHg inicia-se a sensação dolorosa. Uma diferença de pressão entre -100 a -150 mmHg pode levar a ruptura do tímpano. Quando o tímpano sofre ruptura o indivíduo escuta intenso acompanhado de dor, náuseas, desmaio e choque (Conde-Garcia, 1998, p. 125). Músculos tensor do tímpano e estapédio - quando um ruído muito intenso atinge o tímpano sua amplificação pelo ouvido médio pode danificar o ouvido interno. Para prevenir isto existem dois músculos o tensor do tímpano e o estapédio que, quando se contraem, aumentam a rigidez dos ossículos deformando o tímpano e a janela oval para dentro do ouvido médio (Menezes et al., 2005) e reduzindo a quantidade de energia que é transportada para a janela oval.

OUVIDO INTERNO A CÓCLEA A cóclea, do grego caracol, constitui o labirinto anterior. É um órgão de cerca de 9 mm de diâmetro e 35 mm de comprimento, do tamanho de uma ervilha, com estrutura cônica, espiralada, composta por três “tubos” paralelos que se afilam da base para o ápice (Heneine, 2006, p. 330,

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Menezes et al., 2005). A base da cóclea corresponde à abertura do caracol, é mais larga do que o ápice, que corresponde à extremidade final da cóclea. A Fig. 42 mostra uma visão esquemática da cóclea desenrolada. Duas membranas dividem a cóclea em três “tubos”, a membrana de Reissner e a membrana basilar. Os “tubos” são chamados de rampas ou escalas. São 3 rampas: 1. Rampa vestibular: é a mais superior, está acima da membrana de Reissner. 2. Rampa média ou coclear: é uma rampa situada entre as membranas de Reissner e basilar. 3. Rampa timpânica: é a rampa inferior, situada abaixo da membrana basilar.

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Figura 42. Esquema da cóclea desenrolada |(Fonte: http://www.eumus.edu.uy).

As rampas vestibular e timpânica comunicam-se entre si através do helicotrema, um pequeno orifício situado no ápice da cóclea. Na base da cóclea encontram-se 2 janelas ocluídas por membrana, a janela oval situada na rampa vestibular e a janela redonda situada na rampa timpânica (Fig. 42). Estas janelas permitem a comunicação entre os ouvidos médio e interno. Diferente do ouvido médio, o ouvido interno é preenchido por líquidos. São dois líquidos, 1) a perilinfa, que preenche as rampas periféricas tanto a vestibular quanto a timpânica, e 2) a endolinfa, que preenche a rampa média. Estes líquidos não se misturam. A composição química da perilinfa é similar ao do liquor com uma concentração duas vezes maior em proteína. Já a endolinfa tem uma composição química semelhante à do citoplasma de uma célula, pois é rica em potássio (CondeGarcia, 1998, p.121). Situado sobre a membrana basilar, encontra-se uma estrutura altamente complexa, o órgão de Corti (Fig. 43). Este órgão é formado essencialmente por células ciliadas interna e externa e por células de sustentação, tais como células de Hensen, Claudius e falangeais (Aires, 2006,

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p.296). As células ciliadas estão dispostas em fileiras que se estendem por toda a cóclea, desde a base até o ápice. Existe apenas uma fileira de células ciliadas internas (cerca de 3.400 células) e duas ou mais fileiras de células ciliadas externas (cerca de 12.000 células). O nervo auditivo é formado pelos neurônios que estão em sinapse com as células ciliadas internas e externas. A membrana tectorial é uma estrutura fibrosa posicionada sobre o órgão de Corti (Fig. 44).

Figura 43. Secção transversal da cóclea mostrando o órgão de corti apoiado em cima da membrana basilar (Fonte: http: www.eumus.edu.uy).

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4 Figura 44. Anatomia do órgão de Corti. T, membrana tectorial; INT, células ciliadas internas; EXT, células ciliadas externas; L, lâmina reticular; TE, túnel externo; TI, túnel interno, H, células de Hensen; F, células falangeais; EN, espaço de Nuel; C, células de Claudius (Conde-Garcia, 1998, p.121).

O estribo, o terceiro ossículo da cadeia auditiva, está posicionado em cima da janela oval. O que acontece quando o estribo vibra a janela oval? O som propagado pelos ouvidos externo e médio faz vibrar o estribo e, consequentemente, a janela oval situada na rampa vestibular. A vibração da janela oval desloca a perilinfa contida na rampa vestibular gerando um pulso hidráulico que se propaga da base ao ápice da cóclea. Como a membrana de Reissner é muito fina, a vibração da perilinfa é passada para a endolinfa da rampa média. Esse pulso de propaga até o helicotrema e passa para a rampa timpânica onde o pulso hidráulico vai se propagar do ápice até a base da cóclea, comprimindo a janela redonda. A geração e a propagação do pulso hidráulico dentro da cóclea só é possível devido á elasticidade da janela redonda (Conde-Garcia, 1998, p.125). A diferença de pressão entre as rampas superior e inferior promove uma vibração da membrana basilar em uma direção perpendicular ao seu plano. Esse movimento perpendicular da membrana basilar faz a membrana tectorial se movimentar em uma direção longitudinal (Fig. 45). Ao deslizar, a membrana tectorial comprime os cílios das células ciliadas internas e externas. Com isso, elas são ativadas com consequente liberação de neurotransmissores. O principal neurotransmissor liberado é o glutamato. A liberação de glutamato despolariza os neurônios que estão em sinapse com as células ciliadas propagando o impulso elétrico ao cérebro.

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Figura 45. Movimento perpendicular da membrana basilar (MB) em relação à membrana tectorial (MT) (Conde-Garcia, 1998, p.125).

A região do cérebro responsável pela audição é o complexo olivar superior, localizado no lóbulo temporal. Como o ser humano é capaz de perceber e detectar sons de frequências diferentes? Ou seja, como é possível distinguir entre sons agudos ou graves? Estudos revelaram que a cóclea apresenta regiões definidas para detectar sons de diferentes frequências. Os sons de alta frequência atingem regiões próximas da base da cóclea, frequências intermediárias atingem distâncias intermediárias e frequências baixas causam ativação máxima da membrana basilar próximo ao fim da cóclea, no ápice. É através dos diferentes locais que são estimuladas dentro da cóclea que detectamos quais são as frequências sonoras que estamos recebendo. A Fig. 46 mostra diversas regiões da cóclea sendo ativadas por sons de diferentes frequências.

Figura 46. Representação da cóclea desenrolada (esquerda) e enrolada (direita) mostrando as regiões que são ativadas de acordo com a frequência sonora. O números representam a frequência do som em KHz (Conde-Garcia, 1998, p. 128).

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Como o ser humano é capaz de determinar a intensidade do som? Sons de alta intensidade promovem mais vibrações da membrana basilar e, consequentemente, mais células ciliadas são ativadas. Há tanto um aumento do ritmo de excitação das terminações nervosas quanto da transmissão do sinal elétrico por muitas fibras nervosas e não por poucas fibras. Outro fato importante é que as células ciliadas externas não são estimuladas de forma significativa quando o som não é de alta intensidade. Isto pode informar ao cérebro que o som é intenso.

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TRANSMISSÃO DO SOM ATÉ O OUVIDO INTERNO O som pode chegar ao ouvido interno por 3 vias: · Cadeia de ossículos – por essa via, a onda sonora vibra o tímpano, a cadeia de ossículos (martelo, bigorna e estribo) e a janela oval, que pertence à cóclea. Por essa via, ocorre a amplificação do som, como já foi visto anteriormente. · Via aérea – o som pode se propagar pelo ar contido nos ouvidos externo e médio e vibrar diretamente as janelas oval e redonda. Entretanto, grande parte da energia do som é perdida por reflexão do som na passagem do ar do ouvido médio para o líquido do ouvido interno. · Via óssea (ossos do crânio) – a som também pode chegar ao ouvido interno através dos ossos do crânio. Neste caso, o som não alcançará o ouvido interno quando ele vem se propagando pelo ar devido a grande perda de energia do som ao atingir o tecido ósseo. Essa via só tem importância quando um diapasão em vibração é encostado no crânio. Desta forma, o som pode se propagar pelas estruturas ósseas e alcançar o ouvido interno.

TIPOS DE SURDEZ Existem três tipos de surdez: 1. Surdez de condução – neste tipo de surdez há um impedimento na propagação do som através dos ouvidos externo e médio. Geralmente este tipo de surdez é parcial. Podemos citar como exemplos de surdez de condução: - Ausência do pavilhão auricular; - Acúmulo de cera no meato acústico externo; - Espessamento do tímpano; - Secreções purulentas no ouvido médio; - Ruptura do tímpano; - Quebra dos ossículos; - Otosclerose – enrijecimento da cadeia de ossículos;

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2. Surdez sensorineural – este tipo de surdez acomete o ouvido interno ou o nervo auditivo. Neste tipo de surdez ocorre um aumento do limiar de excitabilidade para produzir a excitação das células sensórias da audição. São causas de surdez sensorineural: - Exposição a sons de alta intensidade; Os danos à audição devido à exposição permanente em ambientes ruidosos são cumulativos e irreversíveis. Exposição a altos níveis de ruído é uma das maiores causas da surdez permanente. - Uso de antibióticos ototóxicos (garamicina, kanamicina ou estreptomicina) - Estas drogas promovem destruição das células ciliadas do órgão de Corti, levando a uma surdez irreversível. - Processos inflamatórios; - Rubéola, toxoplasmose, meningite; - Tumores benignos ou malignos na cóclea; 3. Surdez central – a surdez central acontece quando há lesão do complexo olivar superior, região do cérebro responsável pela audição. São causas possíveis deste tipo de surdez: - Traumatismo craniano; - Tumores benignos ou malignos no cérebro; - Acidente vascular cerebral na região responsável pela audição.

CONCLUSÃO Como vimos nesta aula, o aparelho auditivo é um órgão sensorial que não tem só a função de captar as ondas sonoras e formar a audição. Os nossos ouvidos têm mais duas funções, a de manter o equilíbrio corporal, função realizada pelos canais semicirculares e a função de orientação espacial (detecção de movimento, noção de distância) do indivíduo, função realizada por outra estrutura do ouvido interno, o vestíbulo. Qual destas 3 funções é a mais importante? É difícil responder esta pergunta. O que vem logo na nossa mente é a função auditiva. Entretanto, sem a audição um ser humano pode ter uma vida “quase normal”. Ele pode se comunicar com outros indivíduos através da linguagem dos sinais. Por outro lado, sem o equilíbrio não é possível sentar ou ficar em pé. Através da audição captamos as ondas sonoras provenientes do meio ambiente, interpretamos o seu conteúdo e, com isso, conseguimos nos relacionar com o meio ambiente e com outros indivíduos. Vale ressaltar que a fala está intimamente relacionada com a audição, pois é ouvindo que aprendemos a falar.

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Biofísica da audição

RESUMO

Aula

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Cada parte do ouvido tem uma função específica para permitir que as ondas sonoras sejam captadas, conduzidas até o ouvido interno e transformadas em sinal elétrico para que possam ser interpretadas pelo cérebro. Basicamente ocorre o seguinte: o ouvido externo serve para captar as ondas sonoras e conduzi-las pelo meato acústico externo. No ouvido médio ocorre a amplificação das ondas sonoras e a transformação da energia sonora em vibrações de membranas e ossículos. Estas vibrações serão transformadas em energia hidráulica com a vibração do estribo sobre a janela oval. O ouvido interno transforma a energia hidráulica das linfas contidas dentro da cóclea em impulsos nervosos que podem ser transmitidos ao cérebro. Além disso, o ouvido é capaz de manter constante a pressão no interior do ouvido médio, função esta realizada pela trompa de Eustáquio. O ouvido humano é capaz de perceber ondas sonoras de frequências diferentes de forma simultânea. Isto só é possível devido à cóclea possuir regiões específicas para detectar ondas sonoras de frequências diferentes. Este mecanismo não é possível na visão, ou seja, o olho humano não é capaz de detectar várias cores (diferentes frequências ou comprimento de ondas) simultaneamente chegando ao globo ocular.

ATIVIDADES 1. Como informação complementar assista um vídeo sobre audição. É só acessar o site: http://www.youtube.com/watch?v=kC2IoapWEJM

PRÓXIMA AULA Na próxima aula você terá a oportunidade de conhecer um método biofísico de estudo que emprega conceitos de eletricidade para realizar a separação de substâncias carregadas eletricamente, tal como as proteínas, lipídios, DNA, etc. Este método é a eletroforese, amplamente usada na pesquisa e em laboratórios de análises clínicas, com fins diagnósticos.

REFERÊNCIAS AIRES, M. M. Fisiologia. 3 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008. CONDE-GARCIA, E. A. C. Biofísica. Ed. Savier, 1998. HENEINE, F. H. Biofísica Básica. Ed. Atheneu, 2006. MENEZES, P. L., NETO, S. C., MOTTA, M. A. Biofísica da Audição. Ed. Lovise, 2005.

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Aula ELETROFORESE

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META Ao final desta aula o aluno deverá dominar o princípio básico da eletroforese, os fatores que influenciam a migração eletroforética, assim como, conhecer os diferentes tipos de eletroforese.

OBJETIVOS Ao final desta aula, o aluno deverá: conhecer o princípio de separação de proteínas usando o campo elétrico; conhecer os principais tipos de eletroforese; e conhecer os métodos eletroforéticos para determinação do peso molecular e do ponto isoelétrico de uma proteína

PRÉ-REQUISITOS Para entender esta aula o aluno precisará de um conhecimento prévio de: noções básicas de campo elétrico; bioquímica de proteína; pH e tampões.

O gel de acrilamida é usado para separar proteínas. As proteínas são transferidas a uma membrana e detectadas então com um anticorpo (Fonte: http://www.molecularstation.com).

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INTRODUÇÃO A eletroforese é uma técnica analítica de separação de misturas de substâncias carregadas eletricamente, utilizando para isto um campo elétrico. Além de separar substâncias com carga elétrica, ela pode ser usada na caracterização de uma molécula, tal como determinar a massa relativa e o seu ponto isoelétrico. Em análises clínicas, esta técnica tem grande valor diagnóstico uma vez que é possível determinar a concentração de substâncias no soro humano. Atualmente, esta técnica vem sendo largamente usada em vários ramos da Biologia, Medicina Humana e Veterinária: análises clínicas, bioquímica, genética molecular, pesquisa, entre outros. O campo de aplicação desta técnica é vasto e isto se deve principalmente a simplificação da aparelhagem utilizada e também da disponibilidade de meios de suportes altamente purificados, o que veio a diminuir o tempo gasto no processo de separação.

Equipamento de eletroforese em gel (Fonte: http://pt.wikipedia).

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A eletroforese é uma técnica biofísica de análise baseada na migração diferencial de compostos carregados eletricamente quando submetidos a um campo elétrico. A principal força motriz para o movimento das partículas carregadas em um campo elétrico é a diferença de potencial aplicada entre os eletrodos. O eletrodo positivo (ânodo) atrai ânions (íons negativos) e o eletrodo negativo (cátodo) atrai cátions (íons positivos). Consequentemente, quanto maior a intensidade da voltagem aplicada, maior será a velocidade com que as cargas se dirigem ao polo de sinal oposto. Entretanto, se a voltagem utilizada for muito alta pode gerar muito calor e ressecar o suporte, além de poder desnaturar as partículas que estão sendo submetidas à separação (Heneine, 1995, p. 33). As moléculas carregadas eletricamente migram para o polo de carga oposta quando submetidas a um campo elétrico. Só há migração eletroforética ou mobilidade eletroforética se a partícula possuir carga elétrica livre, seja ela negativa ou positiva. Frente ao campo elétrico, os ânions migram para o polo positivo e os cátions migram para o polo negativo. Uma partícula eletricamente neutra não possui mobilidade eletroforética. A migração eletroforética é regida por 2 leis de Coulomb: 1. migração qualitativa – as partículas migram para o polo de sinal contrário. Como foi explicado anteriormente, os cátions migram para o polo negativo (cátodo) e os ânions migram para o polo positivo (ânodo). Na Fig. 47 a mistura foi aplicada no centro do campo elétrico como indicado pela seta. Como podemos ver mistura é constituída de 3 partículas, uma neutra, uma positiva e uma negativa. A neutra não tem mobilidade sob ação do campo elétrico e permanece no ponto de aplicação (centro), a positiva migra para o polo (-) e a negativa migra para o polo (+). Desta forma, é possível através da eletroforese separar partículas de cargas diferentes. Vale ressaltar, que quando a amostra apresenta uma heterogeneidade em carga elétrica, a aplicação deve ser no centro do suporte.

Figura 47. Migração qualitativa de partículas eletricamente carregadas sob a ação de um campo elétrico. Observe que as partículas migram para o polo de sinal contrário.

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2. migração quantitativa – a velocidade de migração eletroforética depende da quantidade ou densidade de cargas da partícula. Desta forma, quanto mais carregada estiver uma partícula, ou seja, quanto maior a densidade de carga dela, maior será a velocidade de migração em um campo elétrico. A Fig. 48 mostra um exemplo representativo de uma migração quantitativa de uma mistura de 3 partículas carregadas negativamente. Nota-se que como a amostra é negativa o ponto de aplicação fica mais próximo do polo negativo e ai elas migram todas para o polo positivo. A molécula com maior densidade de carga terá um maior deslocamento quando sob a ação de um campo elétrico. Se a mistura fosse composta por partículas positivas, a aplicação da amostra seria no polo positivo (Heneine, 2006, p.192).

Figura 48. Migração quantitativa de três moléculas carregadas negativamente. Podemos observar que a partícula que migrou mais apresenta uma maior quantidade de cargas.

A velocidade com que uma partícula se movimenta no campo elétrico não depende somente da sua quantidade de cargas ou da diferença de potencial aplicada entre os eletrodos, mais também da massa relativa da molécula. O tamanho da macromolécula ou massa relativa também influencia de forma decisiva na sua velocidade de migração. Quanto maior a massa relativa de uma partícula menor será a sua velocidade de migração em direção ao polo de sinal contrário. Até aqui vimos que 3 fatores importantes podem influenciar na velocidade de migração de uma partícula em campo elétrico. Estes fatores são: 1. Quantidade de carga elétrica de uma partícula – quanto maior a densidade de cargas maior a velocidade de migração; 2. Massa relativa da partícula - quanto maior o tamanho da partícula menor a velocidade de migração; 3. Diferença de potencial elétrico – quanto maior a diferença de potencial (ddp), entre os eletrodos, maior a velocidade de migração. As proteínas são moléculas que apresentam grupamento ácido (COO-) e grupamento básico (NH3+). As proteínas são moléculas anfotéricas, ou seja, em solução ou suspensão, as proteínas podem apresentar-se com carga positiva, negativa ou neutra. O pH (potencial hidrogeniônico) altera a carga de uma proteína. Cada proteína apresenta um ponto isoelétrico (pI) específico. O que é pI? É o pH em que a proteína se encontra eletri-

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camente neutra e, consequentemente, a mobilidade em campo elétrico é nulo. Se o pI da proteína for igual ao pH da solução, a proteína apresentase neutra. Se o pI da proteína for menor do que o pH do meio (meio básico) a proteína apresenta-se negativa. E se o pI da proteína for maior do que o pH do meio (meio ácido) a proteína apresenta-se positiva. A proteína fica positiva quando apresenta maior número de grupos NH3+. Isto ocorre em pH ácido, uma vez que os grupos COO serão neutralizados pelo excesso de prótons (H+) do meio e, consequentemente, haverá excesso de grupos NH3+. Em pH básico, as partículas ficam carregadas negativamente, isto é, com maior número de grupos COO-, pela neutralização dos grupos NH3+ pelas hidroxilas (OH-) presentes no meio básico. Se o pH do meio for igual ao pI da proteína, as partículas ficam neutras, ou seja, as cargas positivas serão iguais às cargas negativas (mesma quantidade de grupos COO- e NH3+) (Heneine, 2006, p.192). Exemplo: a albumina apresenta um pI fixo de 4,7. Vamos ver como o pH do meio influencia na carga elétrica desta proteína (Tabela 1).

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Tabela 1. Alteração da carga elétrica da albumina variando-se o pH do meio

O pH da solução também influencia na quantidade de cargas da proteína. Quanto maior a diferença entre o pI e o pH do meio maior a densidade de cargas da partícula. Ou seja, quanto maior a diferença de entre os valores de pI e pH, mais carga a molécula terá e, consequentemente, maior será sua movimentação em um campo elétrico. Exemplo: Duas proteínas A e B com pI de 4,0 e 6,0, respectivamente, são submetidas a uma eletroforese com um pH igual a 8,0. Como ambas apresentam um pI menor do que o pH do meio elas vão possuir carga negativa, ou seja, o meio está básico e elas vão se comportar como ácidos. Qual destas 2 proteínas tem maior quantidade de cargas? A quantidade de cargas não pode ser igual uma vez que elas apresentam pontos isoelétricos diferentes. A proteína que estiver mais ácida ou a que estiver mais distante do pH estará mais carregada eletricamente. Entre as proteínas A e B, a proteína A com o pI de 4,0 é a mais ácida ou a mais negativa. Sob ação do campo elétrico, ela vai migrar com maior velocidade.

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A solução tampão determina qual a carga da proteína (positiva, negativa ou neutra) e também determina a quantidade de carga da proteína.

MATERIAL USADO EM ELETROFORESE 1. Fonte de energia – existem vários tipos e modelos de fontes usadas em eletroforese. As fontes de energia contêm um regulador de voltagem e outro de intensidade e um interruptor para ligar e desligar. A corrente elétrica que chega nas tomadas é alternada e não serve para a separação de partículas. Para se obter a separação é preciso ter corrente contínua, cujo sentido é invariável: um polo é sempre positivo e o outro é negativo. A fonte usada em eletroforese tem essa função de fornecer corrente contínua (Heneine, 1995, p.28). 2. Cuba eletroforética – a cuba eletroforética consiste em um câmara com uma divisória central. Apresenta um formato retangular e tamanho variado. Os eletrodos (cátodo e ânodo) estão de cada lado da cuba e podem ser de platina, carvão ou cobre. A cuba possui uma ponte para adaptar o suporte usado para aplicação da mistura que se deseja separar. 3. Suportes – o suporte é o local onde se aplica a amostra a ser analisada. Ele pode ser sólido (papel, acetato de celulose) ou semi-sólido (gel de ágar, gel de agarose, gel de poliacrilamida). Os suportes são adaptados na cuba eletroforética com as duas extremidades do suporte mergulhados na solução tampão. 4. Aplicadores – A amostra a ser separada eletroforeticamente deve ser aplicada no suporte com o auxílio de aplicadores. Os aplicadores podem ser seringas, micropipetas, capilares de vidro ou aplicadores específicos para eletroforese. Vale ressaltar que para fazer a separação de uma mistura deve ser aplicado um volume determinado da amostra. 5. Solução tampão – a cuba eletroforética é preenchida com solução tampão com igual volume de cada lado. A solução tampão é uma solução composta por um ácido fraco e o sal deste ácido ou uma base fraca e o sal desta base. O tampão é uma solução que tem a capacidade de resistir a variações de pH, mesmo após a adição de pequenas quantidades de ácidos ou bases. Além de manter o pH constante, a solução tampão é uma solução condutora de corrente elétrica. O tampão também ajuda a manter o ambiente com uma atmosfera úmida, isto evita o ressecamento do suporte decorrente do calor gerado pela passagem de corrente elétrica pelo suporte. Para evitar o aquecimento, recomenda-se usar tampão gelado ou câmara dotada de sistema de resfriamento. Além disso, é recomendado trabalhar com voltagens baixas para que ocorra uma pequena passagem de corrente elétrica através do suporte e, consequentemente, produção de pouco calor.

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Resumindo as funções do tampão na cuba eletroforética: a) Conduzir corrente elétrica; b) Manter o pH constante; c) Fornecer a concentração de íons adequada; d Manter a umidade dentro da câmara; e) Repor o líquido evaporado no suporte (Heneine, 1995, p.32). 6. Corantes – O corante é usado para revelar as moléculas que foram fracionadas. O corante é específico para a cada molécula (proteína, lipídio, etc.). 7. Densitômetro – Após a separação das frações, elas podem ser quantificadas, ou seja, é possível determinar a concentração de cada fração. O densitômetro é um aparelho que permite a dosagem das frações de forma direta. Uma luz monocromática, produzida pelo aparelho, atravessa cada fração e a quantidade de luz absorvida por ela é determinada. No final, o densitômetro fornece os valores relativos (% do total) e absolutos (g/dL) de cada fração separada através da eletroforese. 8. Espectrofotômetro – Se o laboratório não dispõe de um densitômetro, é possível determinar a absorção de luz usando um espectrofotômetro, aparelho bastante usado nas dosagens bioquímicas. Neste caso, cada fração deve ser cortada do suporte e eluída (removida) com um solvente apropriado, colocada em uma cubeta e feita a leitura da absorção de luz no espectrofotômetro.

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TIPOS DE ELETROFORESE A eletroforese pode ser feita sem suporte (eletroforese livre) ou com o uso de suportes.

ELETROFORESE SEM SUPORTE OU LIVRE A eletroforese livre foi desenvolvida por Arne Tiselius, em 1937. A cuba eletroforética tem um formato de um tubo em forma de U (Fig. 49). Este tubo é preenchido com uma solução tampão com um determinado pH. A mistura protéica a ser fracionada é adicionada no tampão. Aplica-se uma diferença de potencial entre os eletrodos e as proteínas migram, na solução, para o polo de sinal contrário. No final, formam-se duas frentes de proteínas, as negativas no polo positivo e as positivas no polo negativo. Esta técnica está em desuso.

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Figura 49. Representação da eletroforese livre ou sem suporte. A cuba tem um formato de U e as proteínas estão dissolvidas no tampão.

ELETROFORESE COM SUPORTE A eletroforese em suporte foi inventada por um brasileiro chamado Paulo Koenig, em 1937. Ele trabalhava no Instituto Butantan, em São Paulo, e usou o papel como suporte para separar proteínas de venenos ofídicos (Heneine, 1995, p. 23). Nos suportes, as amostras são aplicadas e são separadas em frações ou bandas no próprio suporte. Apresenta algumas vantagens em relação à eletroforese sem suporte: pequeno volume de amostra (0,5 a 2 ml) a ser aplicado no suporte e separações mais nítidas. O material a ser examinado é aplicado no suporte, no centro ou nas extremidades a depender da carga da amostra. Depois, a corrente elétrica é ligada em uma determinada voltagem e as partículas migrarão para o polo de sinal contrário, numa velocidade característica. No fim da corrida eletroforética, cada componente é nitidamente separado dos outros. Os suportes podem ser sólidos (papel, acetato de celulose) ou semisólidos (gel de ágar, agarose, amido e gel de poliacrilamida). A eletroforese pode ser feita em posição horizontal ou vertical. A Fig. 50 mostra uma eletroforese realizada em sistema horizontal. Os suportes sólidos ou semi-sólidos podem ser usados em sistema horizontal e o princípio de separação é baseado na diferença de cargas entre os

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componentes. A eletroforese vertical usa suporte semi-sólido e o princípio de separação está baseado tanto na carga quanto na massa dos componentes (Fig. 51).

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Figura 50. Eletroforese horizontal. (a) cuba eletroforética com aplicação da amostra no centro do suporte sólido. (b) perfil eletroforético com as frações separadas.

Figura 51. Eletroforese em gel vertical. A amostra é aplicada nas canaletas posicionadas no topo do gel. A corrida eletroforética ocorre de forma descendente, do cátodo para o ânodo.

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SUPORTES SÓLIDOS Os suportes sólidos permitem a separação de acordo com a carga elétrica das partículas, ou seja, moléculas de mesma carga ou mesmo pI não são separadas neste tipo de suporte.

ELETROFORESE EM PAPEL O primeiro suporte utilizado em eletroforese foi o papel de filtro (Fig. 50). O papel deve ser umedecido no mesmo tampão usado na cuba eletroforética e conectado com as extremidades imersas na solução tampão. A amostra pode ser aplicada no centro do suporte (amostra com diferentes cargas) ou na extremidade do papel. Quando a amostra é negativa aplica-se no polo negativo e quando a amostra é positiva aplica-se no polo positivo.

ELETROFORESE EM ACETATO DE CELULOSE O suporte de acetato de celulose substituiu o papel e com algumas vantagens. A principal vantagem é que o acetato de celulose, após a corrida eletroforética, revelação e secagem, fica transparente, apenas com as frações coradas. A transparência do suporte permite a leitura automatizada das frações no densitômetro, diferentemente do papel, que é opaco (branco) e não permite a passagem da luz. É um suporte de escolha em laboratórios de análises clínica pelo baixo custo, facilidade e rapidez na execução.

ATIVIDADES Uma mistura contendo 5 proteínas (A, B, C, D e E) de pI 4.5, 6.0, 5.5, 7.0 e 4.5, respectivamente, foram submetidas a uma eletroforese em suporte sólido usando um tampão de pH 6.0. Qual vai ser a ordem de separação e o ponto de aplicação?

COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES Em pH 6.0, teremos proteínas negativas, positivas e neutras. Então, o ponto de aplicação deve ser no centro do suporte, como indicado com uma seta. As proteínas com o pI menor do que o pH possuem carga negativa, as que possuem pI maior do que o pH possuem carga positiva e as que apresentam o pI igual ao pH são neutras. Desta forma, a proteína B (pI 6.0) está neutra e não migrará em campo elétrico. As proteínas A, C e E estão eletronegativas neste pH e irão migrar para o

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polo positivo. Como as proteínas A e E possuem o mesmo pI, não se separam porque apresentam a mesma mobilidade eletroforética. A proteína D é positiva e migrará para o polo negativo. Veja, na figura abaixo, como ficaria separada a mistura de proteínas em suporte sólido.

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Faça você este exercício: uma mistura contendo 5 proteínas (A, B, C, D e E) de pI 5.0, 8.5, 7.5, 7.0 e 8,5, respectivamente, foram submetidas a uma eletroforese em suporte sólido usando um tampão de pH 9.0. Qual vai ser a ordem de separação e o ponto de aplicação?

SUPORTES SEMI-SÓLIDOS (GEL) O suporte em gel promoveu um grande avanço na eficiência de separação das frações submetidas à eletroforese. Isto se deve ao fato do gel ser um polímero com poros que permite a separação das partículas não somente pela carga mais também pela massa relativa. O gel dificulta a migração das partículas de massa grande e facilita a migração de partículas de massa pequena. Para isto, é preciso variar o tamanho dos poros do gel de acordo com a faixa de massa relativa.

ATIVIDADES Como seria a separação da mistura abaixo, em suporte em gel usando um tampão 9,0?

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Comentário: em pH 9.0, todas as proteínas estão com o pI menor do que o pH. Portanto, estão com carga negativa. A aplicação deve ser feita na extremidade do suporte voltada para o polo negativo. Todas as proteínas irão migrar para o polo positivo. A proteína mais carregada eletricamente irá migrar mais rápido. Qual proteína está mais carregada? Aquela que estiver com um pI mais distante do pH do meio. A proteína A está mais carregada eletricamente e irá migrar mais em campo elétrico. As proteínas B e E apresentam o mesmo pI mais com massas diferentes. A proteína B como é menos pesada do que a proteína E e , portanto, irá migrar mais.

ELETROFORESE EM GEL DE POLIACRILAMIDA COM SDS Um outro tipo de eletroforese é aquela feita em presença de SDS (dodecil sulfato de sódio). O SDS é um detergente negativo que rompe todas as ligações covalentes da proteína que perde sua conformação tridimensional e se desenrola. O SDS liga-se as proteínas formando um complexo de carga negativa (Fig. 52). As proteínas quando tratadas com o SDS adquirem carga negativa e a separação ocorre baseada apenas na diferença de massa relativa entre elas. Neste sistema as proteínas de menor massa relativa migram com maior velocidade.

Figura 52. Ligação entre uma proteína nativa e o SDS (dodecil sulfato de sódio). O SDS forma um complexo de carga negativa com a proteína.

A eletroforese em gel na presença de SDS é um método bastante usado para o cálculo do peso molecular das proteínas. É possível determinar a massa de uma proteína através da comparação com proteínas de massa conhecida (proteínas padrão). No gel, é reservada uma canaleta para aplicação das proteínas de massa relativa conhecida e em uma segunda canaleta aplica-se a proteína de massa desconhecida (Fig. 53). Depois da corrida eletroforética mede-se, com o auxílio de uma régua, a migração

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das proteínas padrão e da desconhecida. Depois, constrói-se uma curva padrão que representa a mobilidade eletroforética de cada proteína padrão frente ao logaritmo do peso molecular. Com isto obtém-se uma reta que pode ser utilizada para determinar a massa relativa de uma proteína que se quer estudar.

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Figura 53. Eletroforese em gel de poliacrilamida com SDS. Painel (a), na canaleta 1 foram aplicadas as proteínas padrão de massa relativa (Mr) e na canaleta 2 foi aplicada a proteína desconhecida. Painel (b) gráfico para cálculo da massa relativa da proteína desconhecida.

ELETROFORESE EM GEL DE POLIACRILAMIDA COM SDS E BETA-MERCAPTOETANOL Quando se quer verificar se uma dada proteína é formada por mais de uma subunidade, ou seja, mais de uma cadeia polipeptídica, trata-se a proteína com SDS para que ela adquira carga negativa e adiciona-se o beta-mercaptoetanol. Esta substância rompe ponte dissulfeto da proteína (S-S) e dissocia as subunidades. Se uma proteína tratada com beta-mercaptoetanol é submetida à eletroforese e nela são visualizadas 2 bandas separadas, significa que a proteína é constituída por 2 subunidades protéicas unidas por ponte dissulfeto. Além disso, é possível determinar a massa de cada subunidade através de sua migração relativa. A Fig. 54 mostra uma eletroforese em gel de poliacrilamida em que as proteínas foram tratadas com SDS e beta-mercaptoetanol. 91

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Figura 54. Eletroforese em gel de poliacrilamida com SDS. (A) cuba eletroforética vertical, (B) proteínas A-B e C foram tratadas com SDS e beta-mercaptoetanol e submetidas à eletroforese. A proteína A-B é formada por duas subunidades (2 bandas) e a proteína C tem uma única subunidade (1 banda).

FOCALIZAÇÃO ISOELÉTRICA OU ELETROFOCALIZAÇÃO A Focalização Isoelétrica ou Eletrofocalização é uma técnica eletroforética usada para determinar o ponto isoelétrico (pI) de uma proteína. Ao longo do gel é estabelecido um gradiente de pH através da distribuição de uma mistura de ácidos e bases orgânicos mediante o campo elétrico. Quando uma mistura protéica é aplicada no gel, cada proteína migra para o polo de sinal contrário e ela para de migrar quando fica eletricamente neutra. Isto acontece quando o pI da proteína é igual ao pH do gel. Para saber o pI da proteína, é só verificar o pH em que ela estacionou. A Fig. 55 mostra uma proteína submetida a uma eletrofocalização para determinação do seu ponto isoelétrico.

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Figura 55. Focalização isoelétrica usada para determinação do pI de uma proteína. Em pH baixo (4,0) a proteína está carregada positivamente e em pH alto (10,0) a proteína está carregada negativamente. Em campo elétrico, estas proteínas migram para o polo de sinal contrário e fica estacionária em pH 6,5. O pI da proteína é 6,5.

APLICAÇÃO DA ELETROFORESE ELETROFORESE DE PROTEÍNAS SÉRICAS (PROTEINOGRAMA) A eletroforese é utilizada de rotina no laboratório de análises clínicas para separar e quantificar as proteínas do soro humano. Quando o soro humano é submetido a uma eletroforese em suporte sólido usando um sistema horizontal é possível visualizar 5 classes de proteínas. São elas: albumina, alfa 1-globulina (α1), alfa 2-globulina (α2), beta-globulina (β) e gama-globulina (γ). O soro humano é o sobrenadante (fase líquida) obtido após a centrifugação do sangue coletado sem o uso de anticoagulante. A eletroforese de proteína também pode ser feita usando o plasma humano. O plasma é o sobrenadante (fase líquida) obtido após a centrifugação do sangue coletado com anticoagulante. A eletroforese de plasma revela a presença de 6 frações, incluindo agora o fibrinogênio. As proteínas presentes no plasma são: albumina, alfa 1-globulina, alfa 2-globulina, betaglobulina, fibrinogênio e gama-globulina. As proteínas séricas apresentam uma faixa de pI entre 4,7 e 8,3. Desta forma, é utilizado na corrida eletroforética um tampão de pH acima de 8,3 para que todas as proteínas fiquem carregadas negativamente. A aplicação é, então, no polo negativo. A albumina apresenta o pI menor igual a 4,7. Então, a albumina irá migrar mais rápido em campo elétrico. A

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gama-globulina apresenta o pI mais alto igual a 8,3 e irá migrar menos. A Fig. 56 mostra um perfil eletroforético das proteínas séricas. A aplicação do soro foi feita no polo negativo (seta), uma vez que, as proteínas estão negativas em pH acima de 8,3. O gráfico, acima das bandas separadas, representa a leitura da absorção de luz feita pelo densitômetro. Este aparelho fornece o valor relativo (%) de cada proteína. Sabendo-se a concentração de proteínas totais (PT) no sangue do paciente é possível, através de uma regra de três simples, determinar a concentração (g/dL) de cada proteína. Observe, na Fig. 56, que a concentração de proteína total foi de 7,0 g/dL, o que corresponde a 100 %. Sabendo-se esta relação, calcula-se a concentração de cada fração. Podemos observar que a proteína mais concentrada no soro normal é a albumina (3,99 g/dL) e a menos concentrada é a a1-globulina (5,9 g/dL). Algumas condições patológicas alteram a concentração destas proteínas e, por isso, este exame é solicitado para auxiliar no diagnóstico de algumas patologias.

Figura 56. Perfil eletroforético de soro sanguíneo normal. Os valores relativos (%) e absolutos (g/ dL) das proteínas séricas podem ser vistos. A sete indica o ponto de aplicação (Heneine, 1995, p.97).

CONCLUSÃO A eletroforese foi inventada por Arne Tiselius, em 1937 com o objetivo de separar partículas orgânicas. No mesmo ano, Paulo Koenig no Brasil introduziu a eletroforese com suporte e que até hoje é largamente usada. A eletroforese consiste em um método laboratorial com o objetivo de separar frações de proteínas, enzimas, lipídios, hemoglobina, DNA e RNA. A técnica é fundamentada na separação de partículas que apresentam cargas elétricas em um determinado pH. Para isso, é usada uma cuba

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eletroforética com duas câmaras preenchidas com solução tampão e onde estão o eletrodo positivo e o negativo. Entre as câmaras ajusta-se o suporte sólido ou semi-sólido. As amostras a serem analisadas são aplicadas no suporte escolhido. Terminada a corrida eletroforética, o suporte deve ser corado com corantes específicos de acordo com a amostra. Por último elas são quantificadas usando a técnica manual de eluição ou por método automatizado usando a densitometria. A eletroforese constitui hoje uma técnica de uso na rotina laboratorial de fundamental importância no diagnóstico de algumas doenças, tais como hemoglobinopatias, talassemias, mieloma múltiplo, além de aplicação em lipidogramas, biologia molecular e enzimopatias.

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RESUMO A eletroforese é uma técnica que emprega o campo elétrico na separação de componentes eletricamente carregados. Em campo elétrico, as partículas migram para o eletrodo de sinal contrário e quanto maior a densidade de cargas da partícula e quanto maior a diferença de potencial elétrico aplicado entre os dois eletrodos (cátodo e ânodo) maior será a mobilidade eletroforética. Por outro lado, quanto maior a massa relativa da partícula menor a velocidade de migração. Existem 2 tipos de eletroforese: sem suporte e com suporte. A eletroforese sem suporte está em desuso. Os suportes usados podem ser sólidos ou semi-sólidos e a corrida eletroforética pode ser feita na horizontal ou vertical. A eletroforese em sistema horizontal separa as partículas de acordo com a carga elétrica. Já a eletroforese com suporte sólido na vertical, separa tanto pela carga elétrica quanto pela massa relativa sendo, portanto, mais eficiente no número de frações obtidas. A eletroforese em gel com SDS separa as proteínas apenas pela massa relativa e, por isto, esta técnica é usada para determinar a massa relativa das substâncias. O uso de beta-mercaptoetanol permite identificar se uma determinada proteína apresenta ou não mais de uma subunidade. A focalização isoelétrica é um tipo de eletroforese que utiliza um gel com um gradiente de pH que permite conhecer o ponto isoelétrico de uma proteína.

PRÓXIMA AULA Na próxima aula iniciaremos um estudo sobre a biofísica das radiações ionizantes. Neste capítulo iremos conhecer as propriedades físicas de algumas radiações ionizantes.

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Biofísica para Biólogos

REFERÊNCIAS HENEINE, I. F. Biofísica Básica. Ed. Atheneu, 2006. HENEINE, I. F. Eletroforese em Medicina. Um texto para a prática médica. Da metodologia ao resultado. Ed. Lemi S.A. 1995. NAOUM, P. C. Eletroforese, técnicas e interpretação. 2. ed. v. 1, São Paulo: Editora Santos, 1999. SILVA-JÚNIOR, J. G. Eletroforese de proteínas. Guia teórico-prático. Ed. Interciência, 2001.

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Aula BIOFÍSICA DAS RADIAÇÕES IONIZANTES

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META Apresentar os principais fenômenos da radioatividade e as propriedades físicas das radiações ionizantes.

OBJETIVOS Ao final desta aula, o aluno deverá: descrever o que é radioatividade; diferenciar radiação corpuscular e eletromagnética; diferenciar radiação ionizante e não-ionizante; definir tempo de meia-vida; e explicar por diagramas as diferentes formas de emissões radioativas.

PRÉ-REQUISITOS Pré-requisito: Para o bom entendimento desta aula é interessante para o aluno fazer uma revisão da estrutura e representação dos átomos.

Aparelho emissor de radiação gama. Técnica da radioterapia utilizada no tratamento de câncer da mama (Fonte: http://novastecnologiassaude.blogspot.com).

Biofísica para Biólogos

INTRODUÇÃO Neste capítulo abordaremos as propriedades biofísicas de algumas radiações ionizantes usadas na Biologia e na Medicina. Serão introduzidos alguns conceitos básicos sobre a radioatividade, assim como, os principais tipos de emissões radioativas pelo núcleo de átomos instáveis. O conhecimento físico destas propriedades é de fundamental importância para o entendimento de como acontece a interação da radiação com a matéria, dos seus efeitos biológicos e dos procedimentos básicos de proteção radiológica específicos para cada tipo de radiação. Vale salientar que nenhum indivíduo ou profissional deve estar exposto à radiação sem que seja necessário ou que tenha conhecimento dos riscos radiológicos associados àquela exposição.

Colete de proteção ionizante (Fonte: http://www.cefetsc.edu.br).

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Biofísica das radiações ionizantes

BIOFÍSICA DAS RADIAÇÕES IONIZANTES

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RADIOATIVIDADE As radiações foram descobertas acidentalmente através da observação de que um minério de urânio era capaz de sensibilizar (escurecer) um filme fotográfico. Outros elementos, tais como o rádio e o polônio, também emitiam radiações capazes de sensibilizar filmes fotográficos. Os átomos que apresentavam esta propriedade foram chamados de radioativos sendo estes elementos denominados de radionuclídeos. Os átomos estáveis não emitem radiação. Os instáveis apresentam excesso de energia nuclear e tendem a perder esta energia de forma espontânea, em busca de uma maior estabilidade energética. Esta energia perdida pode ser na forma de emissão de partícula ou de onda eletromagnética (Fig. 57).

Figura 57. Emissão de radiação em forma de partícula (á ou â) ou em forma de radiação eletromagnética (g) por núcleos instáveis (radioativos) (Cardoso et al., 2009, p.5).

Podemos, então, classificar a radiação emitida por núcleos instáveis em dois tipos: 1. radiação corpuscular - energia emitida pelo núcleo do átomo na forma de partícula dotada de massa. A radiação corpuscular pode ou não transportar carga elétrica. São exemplos de radiação corpuscular as partículas alfa (α), beta positiva (β+), beta negativa (β+), nêutron (n), entre outras (Okuno, 2007, p.13). 2. radiação eletromagnética - são fótons de origem nuclear também conhecidos como radiação gama (γ) e que apresentam características elétricas e magnéticas e se propagam com uma velocidade de 300.000 km/s.

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Tais radiações não apresentam massa nem carga elétrica e podem se propagar no vácuo. A eletrosfera dos átomos também pode emitir radiações eletromagnéticas quando um elétron se desexcita, isto é, quando o elétron que absorveu energia e mudou de orbital, retorna ao seu orbital de origem. Entre os fótons produzidos neste processo estão as ondas de rádio, ondas de televisão, micro-ondas, infravermelho, visível, ultravioleta e raios X. Contudo, não se deve confundir estas radiações eletromagnéticas com aquelas de origem nuclear (radiações gama). Por que alguns núcleos são estáveis e não emitem radiação, enquanto outros são instáveis e podem apresentar vários tipos de emissão? - No núcleo atômico atuam duas forças, a elétrica (repulsão) e a nuclear (atração). Estas forças diminuem de intensidade quando a distância entre as partículas aumenta. A força nuclear se enfraquece muito mais rapidamente com a distância do que a força elétrica. Quando o núcleo contém excesso de prótons e nêutrons, a distância entre estas partículas diminui e a repulsão elétrica começa a vencer a atração da força nuclear também chamada de força forte. As forças no núcleo começam a ficar desbalanceadas fazendo com que o núcleo atômico perca energia para encontrar uma situação de maior estabilidade. Assim, eles se tornam radioativos (Cardoso & Barroso, 2009, p.2). A radioatividade de um átomo instável diminui com o passar do tempo. Essa diminuição de atividade é chamada de decaimento nuclear. Quando um átomo sofre decaimento ele perde energia do seu núcleo. Com isto ele pode sofrer uma transmutação ou uma desexcitação. Na transmutação existe uma variação do número de prótons e/ou de nêutrons do núcleo e o elemento se transforma noutro elemento. Assim, o fenômeno conhecido como desintegração radioativa acaba por produzir a transmutação do elemento. Quando um átomo emite radiação corpuscular (α, β+, β-) sempre ocorre uma transmutação do seu núcleo. Quanto maior a instabilidade do núcleo mais rapidamente ele decairá por emissão de radiação. Após a emissão, o núcleo adquire maior estabilidade energética. Os núcleos que apresentam a mesma quantidade de prótons e nêutrons e têm número atômico (Z) menor do que 20, são bastante estáveis. Um exemplo de um átomo estável (não-radioativo) é o nitrogênio-14. Este elemento tem 7 prótons e 7 nêutrons. A relação entre prótons e nêutrons é 1. Por outro lado, o carbono-14 é um elemento instável, possuindo apenas 6 prótons e 8 nêutrons. Os núcleos com massa atômica acima de 20 apresentam uma quantidade relativamente maior de nêutrons. Este excesso torna o átomo instável (Conde-Garcia, 1998, p.302). Quanto maior for a instabilidade nuclear, menor será o tempo de meia-vida do átomo. 100

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Tempo de meia-vida (t1/2) – é o tempo requerido para que metade dos átomos radioativos de uma amostra sofra decaimento. Após um tempo de meia-vida, a energia da amostra radioativa reduz-se à metade da energia inicial. Um radionuclídeo com meia-vida longa decai mais lentamente do que aquele que tem meia-vida curta (Okuno, 1982, p.42) O Curie (Ci) é uma unidade de atividade radioativa e corresponde a 3,7 x 1010 dps (desintegrações por segundo). Esta atividade equivale aproximadamente à quantidade de desintegração produzida por 1 grama de 226Ra. Uma outra unidade usada para medir a atividade de uma amostra é o Becquerel (Bq) que equivale a 1 dps. Assim, 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq (Okuno, 2007, p.24). O iodo-131 possui um t1/2 de 8 dias. O que isto significa? Significa que neste intervalo de tempo a energia da amostra de iodo será a metade da energia inicial. Considerando uma amostra de iodo com uma atividade inicial de 1000 Ci, então a cada 8 dias a sua atividade reduz-se à metade. Assim, para no primeiro intervalo de tempo igual a um t1/2 a atividade cairá para 500 Ci, no segundo t1/2 ela será de 250 Ci, no terceiro de 125 Ci, no quarto 62,5 Ci e assim sucessivamente. Isso significa que, para cada tempo de meia-vida, a atividade é reduzida à metade da anterior, até atingir um valor insignificante que não pode mais ser detectada (Cardoso, 2009, p.9). Cada elemento radioativo possui um t1/2 característico. A Tabela 1 mostra o tempo de meia-vida de alguns radionuclídeos.

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Tabela 1. Meia-vida física (t1/2) de alguns radionuclídeos

(Fonte: Heneine, 2006, p.345; Conde-Garcia, 1998, p. 305).

O decaimento dos radionuclídeos segue uma lei exponencial, ou seja, a energia decai exponencialmente com o tempo. Existe uma maneira matemática de se calcular a atividade de uma amostra radioativa num dado instante. Para isso, é preciso saber o tempo de meia-vida deste elemento e a atividade da amostra no tempo zero (Ao) ou a atividade desta amostra

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num dado tempo t qualquer (At). A Eq. 1 mostra como calcular a atividade de uma amostra radioativa:

Exercício: Um paciente recebeu 3,5 mCi de I131, por via oral, para realizar uma cintilografia de pesquisa de refluxo esofágico. Considerando que o elemento tem uma t1/2 de 8 dias, qual a atividade deste material 72 horas após a administração do iodo? Comentário: Você precisará de uma calculadora científica para fazer este cálculo. Devemos converter o tempo, que está em horas, para dias. Então, 72 horas equivale a 3 dias. O t será de 3 dias. Vamos substituir os valores, fornecidos no exercício, na Eq. 1. A = 3,5 x e-0,693/8 x 3 A = 3,5 x e-0,086 x 3 A = 3,5 x e-0,259 A = 3,5 x 0,7711 A = 2,69 mCi Resposta = Após 3 dias, o 131I terá sua a atividade diminuída e igual a 2,69 mCi.

ATIVIDADES Um fármaco marcado com 125I (t ½ = 60 dias) foi injetado em um camundongo, por via endovenosa, com a finalidade de investigar a sua metabolização. Após 10 dias, este elemento tinha uma atividade de 1.200 mCi. Quanto foi a atividade do iodo administrada no animal?

COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES Neste exercício, você irá calcular a atividade inicial (Ao) do iodo. Você deverá encontrar um valor de aproximadamente 1.348 mCi. Se você não encontrou este valor refaça seus cálculos.

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As radiações podem ainda ser classificadas como ionizantes ou nãoionizantes. As radiações ionizantes promovem ionização do átomo que ela interage (átomo-alvo) enquanto que a radiação não-ionizante promove a excitação do átomo-alvo. 1. Ionização – a ionização acontece quando a radiação transfere para o elétron, parte ou toda a sua energia, e este elétron é ejetado (arrancado) do átomo (Fig. 58). O átomo, ao perder elétrons, se transforma em um íon positivo. Na ionização, ocorre a formação de par iônico (íon positivo e elétron negativo). Os elétrons ejetados na ionização saem do átomo com energia cinética (velocidade) podendo provocar ionização de outros átomos (ionização secundária). O espaço vazio deixado pelo elétron que foi ejetado pela radiação é chamado de vacância. O preenchimento desta vacância ocorre, espontaneamente, por elétrons de orbitais mais externos.

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Figura 58. Ionização do átomo pela radiação (Fonte: http://www.fas.org).

2. Excitação – esse fenômeno acontece quando a radiação transfere para o elétron parte de sua energia. Ao absorver a energia da radiação, o elétron passa de um orbital mais interno (menor energia) para um orbital mais externo (maior energia) (Fig. 59). Logo depois, o elétron retorna para a sua camada de origem perdendo energia na forma de radiação eletromagnética.

Figura 59. Excitação do átomo pela radiação (Fonte: www.fas.org).

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DESCOBERTA DAS RADIAÇÕES CORPUSCULARES E ELETROMAGNÉTICAS As radiações foram descobertas em 1899 por Rutherford. No experimento, uma amostra de urânio-226 foi colocada em um recipiente de chumbo e submetida a um campo elétrico (Fig. 60). O feixe de radiação após passar pelo campo elétrico formado por dois eletrodos, o cátodo (negativo) e ânodo (positivo) incidia em um filme fotográfico posicionado na parte superior. Após revelar o filme fotográfico, Rutherford observou que a radiação, emitida pelo urânio, tinha formado três manchas escuras no filme. A radiação que sofreu desvio para o polo negativo deveria ser um feixe energético de partículas positivas denominadas de partículas alfa (α). A radiação que sofreu desvio para o polo positivo deveria, então, ser um feixe energético de partículas negativas denominadas partículas betas (β). A partícula beta como é bem mais leve do que a alfa sofreu um maior desvio no campo elétrico. A radiação que não sofreu desvio pelo campo elétrico, chamada de radiação gama (γ), foi descoberta 1 ano depois por Curie e Villard (1900). A radiação gama se trata de uma radiação eletromagnética sem carga elétrica e, por isso, não sofreu influência do campo elétrico.

Figura 60. Descobertas das radiações corpusculares (α e β - ) e eletromagnética (γ). (www.cnen.com.br, modificado por Vasconcelos, C.M.L.)

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ENERGIA DAS RADIAÇÕES

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As emissões radioativas (á, â, γ e raio X) possuem alta energia. Essa energia é geralmente medida em elétron Volt (eV). O eV representa a energia cinética final que um elétron adquire quando é acelerado entre dois pontos cuja a diferença de potencial (ddp) é de 1 volt (Heneine, 2006, p.343). Imagine dois pontos A e B com uma ddp de 1 Volt (Fig. 61). O elétron está no ponto A e, frente a esta diferença de potencial, ele será acelerado e quando atingir o ponto B terá uma energia cinética de 1 eV.

Figura 61. Energia cinética do elétron submetida a uma diferença de potencial de 1 Volt (Heneine, 2006, p.343).

PARTÍCULA ALFA (α α) A radiação α é uma partícula formada por 2 prótons e 2 nêutrons, portanto, uma partícula possui uma massa atômica (A) igual a 4 e um número atômico (Z) igual a 2. A partícula tem massa e número atômico semelhante ao átomo do hélio (He) (Heneine, 2006, p.341). Os elementos radiativos emissores de partícula são átomos mais pesados com um número atômico maior do que 82 (Knoche, 1991, p.31, Conde-Garcia, 1998, p.306), tais como urânio, tório, rádio, plutônio, polônio, etc. Quando um átomo emite uma partícula a dá origem a um elemento filho com uma massa diminuída em 4 unidades e um número atômico diminuído em 2 unidades. Se após a emissão de uma partícula o átomo continuar instável, com excesso de energia, pode haver emissão de radiação gama. As equações 2 e 3 mostram, respectivamente, a equação geral do decaimento e um exemplo do decaimento do rádio-226.

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A Fig. 62 mostra uma forma de representar um decaimento por emissão . O elemento emissor é o polônio-214, a meia-vida física deste elemento é de 1,64 x 10-4 s e a energia total para ocorrer a transmutação é de 7,833 MeV. Podemos observar, no esquema, que o Po-214, em 99,9 % dos casos, emite uma partícula 1 com energia de 7,686 MeV e, então, transforma-se em chumbo-210. Em 0,01 % dos casos, o polônio-214 emite uma partícula 2 com energia inferior, igual a 6,904 MeV. Esta partícula, como tem energia menor, não consegue retirar toda energia acumulada no núcleo, que fica em estado excitado. Desta forma, o átomo emite radiação gama e se transforma em chumbo-210. Quando há emissão de partícula positiva, a seta que representa o decaimento, é apontada para baixo e para a esquerda . E na emissão gama, como ela não tem carga, o decaimento é representado com uma seta para baixo .

α (

Figura 62. Diagrama do decaimento do elemento polônio-214 por emissão alfa (Conde-Garcia, 1998, p.306).

A partícula α, por apresentar grande massa, se propaga de forma retilínea no ar. Ao se propagar, ela promove ionização dos átomos do ar promovendo ejeção de vários elétrons. A sua trajetória retilínea e os elétrons ejetados, chamados de raios delta (ramificações que partem da trajetória da partícula α), podem ser vistos em câmara de bolhas de Wilson (Fig. 63).

Figura 63. Trajetória retilínea de uma partícula alfa na câmara de bolhas de Wilson. As ramificações observadas ao longo da sua trajetória são elétrons ejetados pela radiação alfa. Estes elétrons são chamados de raios delta (Conde-Garcia, 1998, p.306).

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A partícula α é uma radiação altamente ionizante. Uma partícula α perde 33 eV de energia por ionização. Desta forma, uma partícula α emitida pelo rádio-226, com uma energia cinética de 4,8 MeV, produz 145.000 ionizações antes de parar. Entretanto, a ionização, promovida por ela, não é constante ao longo da sua trajetória (Okuno et al., 1986, p.08). Como isto acontece? Uma partícula α, ao se propagar tem sua velocidade diminuída por transferência de energia para os átomos do meio. Então, no início de sua trajetória, como a velocidade de propagação é alta, ela interage menos com os átomos do meio e, consequentemente, ioniza menos. À medida que a velocidade de propagação diminui, aumenta o número de interações com o meio, aumenta o número de ionização. No final de sua trajetória, quando sua velocidade de propagação é baixa, a partícula α absorve 2 elétrons e se transforma em um átomo de hélio. O “Straggling” mostra o número de pares iônicos (ionização) produzidos pela partícula α em função da distância percorrida por ela (Fig. 64).

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Figura 64. Número de pares iônicos (ionização) formados pela partícula a em função da distância percorrida no ar em centímetros (Conde-Garcia, 1998, p. 307).

O alcance de uma partícula α, distância percorrida antes de parar, é muito pequena e depende do meio de propagação e da energia da radiação. Por exemplo, uma partícula a com energia igual a 5 MeV tem um alcance de 3,5 cm no ar e 2,06 x 10-3 cm no alumínio. A Fig. 65 mostra a distância percorrida no ar por partículas α em função da sua energia. Pode-se observar que quanto maior a energia da partícula α maior a distância percorrida por ela.

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Figura 65. Distância percorrida pela partícula alfa (cm) em função de sua energia em MeV (Conde-Garcia, 1998, p. 307).

Como o alcance é pequeno, a partícula α pode ser facilmente blindada com uma folha de papel (Fig. 66). Mesmo sem blindagem, a partícula α não consegue atravessar a pele humana.

Figura 66. Blindagem da partícula alfa por uma folha de papel.

PARTÍCULA BETA (β β) A radiação beta, por ser uma partícula dotada de massa, é classificada como um tipo de radiação corpuscular. Ela tem massa pequena, similar ao do elétron, e pode ser negativa (β-, négatron ou elétron) ou positiva (β+, pósitron ou anti-elétron). Os átomos radioativos emissores de partícula β apresentam uma massa intermediária, geralmente possuem núme-

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ro atômico menor de 84. Por ser uma partícula leve, a trajetória de uma partícula β é tortuosa (Fig. 67).

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Figura 67. Trajetória tortuosa de uma partícula beta negativa vista em câmara de bolhas de Wilson (Conde-Garcia, 1998, p. 309).

EMISSÃO βPara aumentar a estabilidade de núcleos que têm excesso de nêutrons, ocorre a transformação de nêutron em próton com emissão de partícula β- pelo núcleo do átomo. O elemento filho, originado deste decaimento, apresenta a mesma massa do elemento pai, mas o número atômico é aumentado em uma unidade. Na conversão de nêutron em próton, é liberado o antineutrino ( ). O antineutrino não possui nem carga elétrica nem massa. As equações 4 e 5 mostram, respectivamente, a equação geral do decaimento β- e um exemplo do decaimento do carbono-14.

A Fig. 68 exemplifica um diagrama de decaimento por emissão β-. O elemento emissor é o carbono14, a meia-vida física deste elemento é de 5.730 anos e a energia total para ocorrer a transmutação é de 0,156 MeV. Podemos observar, no esquema, que o carbono-14, em 100 % dos casos, emite uma partícula β- com energia de 0,156 MeV e, então, transforma-se em nitrogênio-14. Como a partícula β- retirou toda a energia do núcleo, não houve emissão de radiação gama. Quando há emissão de partícula negativa, a seta que representa o decaimento, é apontada para baixo e para a direita .

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Figura 68. Decaimento do carbono-14 por emissão de partícula beta negativa (Conde-Garcia, 1998, p.309).

EMISSÃO â+ Ocorre emissão β+ quando um núcleo tem excesso de prótons em seu interior e, portanto, deficiência de nêutrons. Para aumentar a estabilidade do núcleo, ocorre a transformação de um prótron em um nêutron com emissão de partícula β+ pelo núcleo do átomo. O elemento filho, originado deste decaimento, apresenta a mesma massa do elemento pai, mas o número atômico é diminuído em uma unidade. Na conversão de próton em nêutron, é liberado o neutrino. As equações 6 e 7 mostram, respectivamente, a equação geral do decaimento β+ e um exemplo do decaimento do sódio-22.

A Fig. 69 exemplifica um diagrama de um decaimento por emissão β . O elemento emissor é o sódio-22, a meia-vida física deste elemento é de 2.605 anos e a energia total para ocorrer a transmutação é de 2,842 MeV. Podemos observar, no esquema, que o sódio-22, em 90% dos casos, emite uma partícula β1+ com energia de 0,545 MeV seguido de emissão gama e, então, se transforma em Ne-22. Em apenas 0,06 % dos casos, o Na-22 emite uma partícula β2+ com energia de 1,82 MeV. Também pode acontecer, em 10% do tempo do decaimento, captura de elétrons. +

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6 Figura 69. Diagrama do decaimento do elemento sódio-22 por emissão de partícula beta positiva (Conde-Garcia, 1998, p. 311).

Por ser uma partícula muito leve, o alcance da partícula beta é maior do que a da partícula alfa, na ordem de metros no ar. Por exemplo, uma partícula beta emitida pelo P-32 com uma energia de 1,71 MeV tem um alcance de aproximadamente 700 cm no ar (www.butantan.gov.br/reagentes/radioprotecao.ppt). O papel não consegue blindar a partícula beta sendo necessário, então, um material de maior densidade para blindar esta radiação. A Fig. 70 mostra que a partícula beta pode ser blindada por uma placa de alumínio.

Figura 70. Blindagem da partícula beta por uma placa de alumínio.

CAPTURA DE ELÉTRONS OU CAPTURA K A captura de elétrons ocorre quando o núcleo do átomo possui excesso de prótons, ou seja, excesso de carga positiva. Para aumentar a estabilidade nuclear, o núcleo passa a capturar elétrons, geralmente da camada K (Fig 71-1). O elétron, ao entrar no núcleo, sofre fusão com

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um próton que se transforma em nêutron (Eq. 8). Com isto, ocorre diminuição do número de prótons do átomo-filho sem alteração na massa atômica (Eq. 9).

A captura eletrônica é considerada uma variação do decaimento β+ porque a conversão de próton em nêutron ocorre da mesma forma (Knoche, 1991, p.46). Em 90 % dos casos ocorre captura de elétrons da camada K, 10 % da camada L e 1 % da camada M. O núcleo emite um neutrino e radiação γ (Fig. 71-2)(Conde-Garcia, 1998, p.311; Heneine, 2006, p. 342). A captura de elétrons para o interior do núcleo deixa a eletrosfera com espaços vazios, chamados de vacância. O preenchimento destas vacâncias ocorre por elétrons de orbitais mais externos. Na passagem do elétron de uma camada mais externa para uma mais interna (fenômeno da desexcitação) ocorre perda de energia na forma de raios X característicos (Fig 71-3). Os raios X só são emitidos quando a vacância está situada nas camadas K e L. A energia do raio X produzido pode, ao se propagar, ser absorvida por outro elétron orbital, podendo este elétron ser ejetado do átomo. O elétron quando ejetado devido a absorção interna do raio X, é chamado elétron Auger (pronuncia “ô-zei) (Conde-Garcia, 1998, p.311; Knoche, 1991, p.48).

Figura 71. Fenômeno da captura de elétrons ou captura K.

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TRANSIÇÃO ISOMÉRICA

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Os isômeros são átomos com a mesma massa atômica e o mesmo número atômico, mas com conteúdo de energia diferente. Desta forma, existem dois tipos de isômeros, o estável e o metaestável. O isômero metaestável possui excesso de energia nuclear e perde energia na forma de radiação gama, dando origem ao isômero estável. A letra “m” ao lado da massa atômica do isômero indica que ele está no estado metaestável. Assim, o 137mBa se refere ao estado metaestável do isômero 137Ba (Fig. 72). A transição isomérica corresponde a um processo de desexcitação do núcleo metaestável e a meia-vida do isômero pode variar entre 10-14 s a muitos anos (Knoche, 1991, p.49). Neste tipo de decaimento não ocorre a transmutação nuclear, ou seja, os átomos pai e filho possuem a mesma massa atômica e o mesmo número atômico (Eq. 10).

Fig. 72. Transição isomérica do elemento Bário-137.

CAPTURA ISOMÉRICA Vimos anteriormente que os isômeros metaestáveis emitem radiação γ. A energia da radiação γ pode ser absorvida por elétrons orbitais, que serão ejetados do átomo. O preenchimento das vacâncias por elétrons mais externos (rearranjo orbital) pode resultar em emissão de raio X orbital. Estes elétrons ejetados são também chamados de elétrons Auger. O fenômeno da captura isomérica ocorre, frequentemente, associada à transição isomérica.

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RADIAÇÃO GAMA A radiação gama é uma radiação eletromagnética de comprimento de onda muito pequeno (< 1 Å). A radiação gama é simbolizada por γ, tem origem nuclear, diferente dos raios X que tem origem na eletrosfera do átomo. Na emissão gama não há alteração do número de prótons e nêutrons no núcleo do átomo. A emissão gama reduz a energia nuclear, conferindo mais estabilidade ao núcleo. Neste processo geralmente ocorre emissão gama. A radiação gama somente pode ocorrer durante uma transição isomérica ou após um decaimento alfa, beta ou uma captura de elétron orbital. Por ter um comprimento de onda pequeno, a radiação gama é muito penetrante. Isso acontece por ela não ser partícula, mas sim onda eletromagnética, além do fato de ela não possuir carga elétrica. O poder de ionização desta radiação é inferior ao das partículas alfa e beta e depende da energia da radiação. Esta radiação pode ser blindada usando-se placa de chumbo ou de concreto. O quadro abaixo resume as principais propriedades físicas das radiações alfa, beta e gama.

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Biofísica das radiações ionizantes

CONCLUSÃO

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Podemos concluir que os átomos radioativos podem emitir espontaneamente radiações na forma de partícula ou na forma de onda eletromagnética. As radiações corpusculares por apresentarem massa são mais ionizantes do que as radiações eletromagnéticas. Por outro lado, as radiações eletromagnéticas são mais penetrantes e, por isso, são mais difíceis de serem blindadas. Desta forma, é de extrema importância o conhecimento sobre as propriedades físicas das radiações ionizantes para poder entender como elas interagem com a matéria dando surgimento aos efeitos biológicos. A partir dos estudos físicos sobre as radiações ionizantes foi possível conhecer melhor como os seus efeitos biológicos se processam no indivíduo irradiado e, desta forma, estabelecer normas mais rigorosas de proteção radiológica. Os elementos radioativos podem induzir câncer e são perigosos quando expostos no meio ambiente sem os devidos cuidados. Eles são a causa das preocupações nos acidentes nucleares e nos artefatos atômicos. No entanto, devemos também nos lembrar que se a radiação for usada de forma adequada, obedecendo aos critérios de radioproteção, muitos podem ser os benefícios por ela produzidos. A radiação aplicada à Medicina auxilia no diagnóstico de muitas doenças e no tratamento e cura do câncer e é uma importante fonte de energia.

RESUMO O átomo com núcleo instável, em busca de uma maior estabilidade energética, emite de forma espontânea radiação corpuscular (α, β+, β-, n) e/ou radiação eletromagnética (γ). Estas radiações podem, ao interagir com o átomo-alvo, promover efeitos físicos, ionização ou a excitação. Este efeito físico pode evoluir, consequentemente, para um efeito biológico. As radiações α, β+, β- e γ são emitidas pelo núcleo do átomo e são consideradas potencialmente ionizantes. A partícula α é a mais ionizante seguido da radiação β e depois da γ. Em contrapartida, comparando as 3 radiações, a partícula α é a que apresenta um menor poder de penetração na matéria. Vimos também que a emissão de radiação corpuscular altera o número atômico do átomo e, consequentemente, está acompanhada de uma transmutação nuclear. A emissão de radiação γ, por outro lado, não promove alteração nuclear. Apesar da partícula α ser a mais ionizante ela pode ser facilmente blindada com uma simples folha de papel. As radiações β e γ podem ser blindadas com alumínio e chumbo, respectivamente.

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PRÓXIMA AULA Na próxima aula conheceremos como as radiações abordadas neste capítulo interagem com o átomo-alvo.

REFERÊNCIAS CARDOSO, E. M.; et al. Radioatividade. Apostila Educativa. Comissão Nacional de Energia Nuclear, CNEN. CONDE-GARCIA, E. A. C. Biofísica. Ed. Savier, 1998. HENEINE, I. F. Biofísica Básica. Ed. Atheneu, 2006. KNOCHE, H. W. Radioisotopic methods for biological and medical research. Ed. Oxford University Press, 1991. OKUNO, E. Radiação. Efeitos, riscos e benefícios. Ed. Harbra, 2007. OKUNO, E.; CALDAS, I. L.; CHOW, C. Física para ciências biológicas e biomédicas. Ed. Harbra, 1986. CARDOSO, S. C.; BARROSO, M. F. Rápida introdução à física das radiações. Unidade 3. http://omnis.if.ufrj.br/~marta/cederj/radiacoes/ fr-unidade3.pdf www.butantan.gov.br/reagentes/radioprotecao.ppt www.cnen.com.br

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Aula INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA

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META Neta aula o aluno aprenderá os mecanismos envolvidos quando a radiação eletromagnética ou corpuscular interage com a matéria. Os conceitos contidos nesta aula serão importantes para a compreensão dos fenômenos biológicos induzidos pela radiação.

OBJETIVOS Ao final desta aula, o aluno deverá: apresentar os efeitos da interação da radiação α com a matéria; apresentar os efeitos da interação das radiações β+ e β- com a meteria; e apresentar os efeitos da interação das radiações γ ou X com a matéria.

PRÉ-REQUISITOS Para o entendimento desta aula é preciso dominar os conhecimentos contidos na aula de biofísica das radiações ionizantes (aula número 06).

O espaço possui uma grande quantidade de radiação. A Lua esta exposta a tempestades solares que originam fluxo de partículas carregadas ionicamente. Em astronautas veteranos pode ser detectado algum dos sintomas a exposição à radiação como fadiga, alteração sanguinea e glaucoma (Fonte: http://intra.cef.pt).

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INTRODUÇÃO Nesta aula abordaremos o que acontece, ao nível de átomo, quando a radiação interage com a matéria. A radiação tanto pode interagir com os elétrons do átomo, quanto com o seu núcleo. E o efeito que vai ser produzido dependerá do fato de a interação ter sido com o elétron ou com o núcleo do átomo. Dependerá também da quantidade de energia absorvida pela matéria e do tipo de radiação incidente (eletromagnética ou corpuscular). Os efeitos que abordaremos, neste capítulo, são físicos. Como consequência deles ocorrem os efeitos químicos, bioquímicos e, finalmente, os biológicos. Os efeitos biológicos serão discutidos no próximo capítulo.

O primeiro acelerador de partículas (ciclotron) desenvolvido por Ernest O. Lawrence, em 1929 (Fonte: novastecnologiassaude.blogspot.com).

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Interação da radiação com a matéria e efeitos biológicos das radiações ionizantes

EFEITOS DA RADIAÇÃO

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Nós vimos no capítulo anterior que o núcleo dos átomos radioativos podem emitir radiação corpuscular e/ou eletromagnética e estas radiações podem interagir com a matéria produzindo dois fenômenos principais, a excitação e a ionização. Os efeitos que a radiação produz no átomo-alvo depende basicamente de 3 fatores: do tipo de radiação (á, β+, β- ou γ), da energia da radiação e do átomo-alvo que está absorvendo a energia da radiação. A radiação tanto pode interagir com o núcleo do átomo quanto com os elétrons. Entretanto, como os elétrons são mais numerosos, existe uma maior probabilidade de interação da radiação com eles (Knoche, 1991, p.79). Quando recebem energia das radiações incidentes, os elétrons podem ser arrancados do átomo (ionização) ou, simplesmente, podem mudar de orbital (excitação).

INTERAÇÃO DAS RADIAÇÕES IONIZANTES COM A MATÉRIA INTERAÇÃO á -MATÉRIA Na interação da partícula alfa com a matéria podem acontecer tanto ionização quanto a excitação dos átomos. Excitação – A radiação á é uma partícula de carga elétrica positiva. Então, quando ela se aproxima do elétron do átomo-alvo, a partícula á exerce uma atração que desloca o elétron de seu orbital para um outro de energia maior. Ou seja, o elétron absorve a energia da radiação e passa de uma camada mais interna para outra mais externa. Esse fenômeno é conhecido como excitação. A cada interação da partícula á com os elétrons ela perde parte de sua energia cinética. Após a interação, a partícula á continua se propagando no meio com uma velocidade ligeiramente menor e irá interagir com outros elétrons até que toda a sua energia seja dissipada (Knoche, 1991, p.80). Ionização – No processo de ionização, a radiação á transfere uma quantidade maior de energia para o elétron que é, então, arrancado do átomo. Este elétron arrancado se move com uma velocidade baixa quando comparado a alta velocidade de propagação da partícula á. Esta diferença de velocidade, entre o elétron e a partícula á, impede que haja combinação entre eles. A energia cinética da partícula á diminui por dois motivos: pela energia fornecida para romper a ligação entre o núcleo e o elétron e, pela energia fornecida ao próprio elétron para que ele seja ejetado.

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O elétron ejetado (elétron primário) pode, por sua vez, causar uma ionização adicional em outros átomos pelos quais ele interage. O elétron arrancado pelo elétron primário é chamado de elétron secundário e a ionização promovida por ele é denominada de ionização secundária. A ionização primária é aquela promovida pela interação da radiação nuclear com a matéria. Para a partícula á, cerca de 60-80 % da ionização induzida por ela se deve ao processo de ionização secundária (Knoche, 1991, p. 81).

INTERAÇÃO β--MATÉRIA A partícula β-, também chamada de négatron, causa ionização e excitação do átomo por um processo muito similar ao descrito para a partícula á. Além destes dois processos, a radiação β- pode ainda promover um fenômeno de Bremsstrahlung. O négatron apresenta a mesma carga do elétron. Então, o fenômeno de atração eletrostática promovido pela partícula á não se aplica à partícula β-. O deslocamento de elétrons promovido pela partícula β-, acontece por repulsão eletrostática. A quantidade de energia necessária para ejetar os elétrons é praticamente igual para as partículas β- e a. Entretanto, mais elétrons secundários são formados pela interação β--matéria quando comparado à partícula á. Cerca de 70-80 % o total da ionização é devido aos elétrons secundários produzidos. Existe uma grande diferença na energia transferida na colisão entre duas partículas de mesma massa (2 elétrons) e na colisão entre partículas de massa diferentes (á e elétron). Como uma partícula á é 7.000 vezes mais pesada do que o elétron, a interação entre elas não promove mudança na direção de propagação da partícula alfa. Entretanto, a colisão entre um elétron primário e um elétron do meio absorvedor (ambos com mesma massa) deve mudar, de forma significativa, a direção de propagação de ambos os elétrons. A cada interação, o elétron primário mudará a sua trajetória. A colisão de um elétron primário com um núcleo atômico, também pode promover grande desvio na trajetória do elétron ou mesmo a sua absorção pelo núcleo (Knoche, 1991, p. 84). Como os elétrons (primário e o secundário) têm a mesma massa e mesma carga, algumas de suas colisões resultam em elétrons secundários com energia cinética maior do que a do elétron primário. Bremsstrahlung é uma palavra alemã que significa “quebra da radiação” e se refere à emissão de radiação eletromagnética quando partículas carregadas e dotadas de alta velocidade sofrem desvio de trajetória devido à interação com núcleos de átomos pesados. A alta velocidade dos radiações corpusculares não favorece à interação delas com elétrons situados na eletrosfera de um átomo próximo. Isto porque o tempo de interação entre eles é pequeno. Assim, a grande velocidade é um fator que

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dificulta a ionização ou a excitação da matéria pela qual passa a radiação primitiva. Partículas carregadas, tais como os elétrons, emitem radiação quando são submetidas a uma aceleração ou desaceleração. Os elétrons, em alta velocidade, podem ser atraídos para o núcleo do átomo-alvo. Estes elétrons (ou partícula β-), ao se aproximarem do núcleo sofrem um desvio da sua trajetória e, com isso, eles perdem energia emitindo radiações eletromagnéticas com variados comprimentos de onda, inclusive na faixa dos raios X (Fig. 73). Nas ampolas, os raios X são produzidos pelo bombardeio de um metal pesado, tal como o tungstênio, por feixe de elétrons que se propagam em alta velocidade. Esta produção se deve ao bremsstrahlung, bem como à desexcitação da eletrosfera, envolvendo os orbitais K e L.

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Figura 73. Emissão de raios X pelo processo de bremsstrahlung (Fonte: www.ndt-ed.org).

INTERAÇÃO β+-MATÉRIA Em virtude das partículas β+ e β- possuírem carga oposta pode ocorrer atração eletrostática entre elas. Quando isto se dá, ambas sofre aniquilação. Na aniquilação as duas partículas são convertidas em dois fótons de radiação eletromagnética, cujo comprimento de onda é próximo aos raios X. Cada fóton gerado tem uma energia de 0,51 MeV.

INTERAÇÃO DAS RADIAÇÕES X E γ COM A MATÉRIA As radiações gama e X são ondas eletromagnéticas. A primeira tem origem nuclear, enquanto que a segunda está relacionada com a eletrosfera. Ambas não possuem carga nem massa. Quando interagem com a matéria, podem ocorrer 5 fenômenos diferentes: espalhamento coerente, efeito fotoelétrico, efeito Compton, produção de par e fotodesintegração. a) Espalhamento coerente – No espalhamento coerente o elétron absorve no todo ou em parte a energia da radiação X ou gama incidente e sofre

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excitação, ou seja, passa para um orbital mais energético ou mais externo (Fig. 74). Logo em seguida, o elétron retorna ao seu orbital de origem, perdendo a energia recebida na forma de um fóton de raios X que se propaga numa nova trajetória (Conde-Garcia, 1998, p.282).

Figura 74. Fenômeno de espalhamento coerente (Fonte: http://www.ndt-ed.org).

b) Efeito fotoelétrico - Neste efeito, a radiação gama ou X é totalmente absorvida por um elétron orbital resultando em sua ejeção para fora do átomo e deixando o átomo ionizado (Fig. 75). Este elétron é chamado de fotoelétron e como possui grande energia cinética pode causar ionização secundária. Subsequentemente, outro elétron de uma camada mais externa ocupará a vacância deste elétron arrancado. Nesta passagem, o elétron pode perder energia na forma de raios X, se o preenchimento da vacância for nas camadas K ou L. Já o preenchimento de camadas superiores libera desde luz ultravioleta, visível, infravermelho ou calor. Este efeito acontece quando a radiação tem baixa energia, menor do que 1 MeV (Heneine, 2006, p.347, Okuno, 2007, p.18).

Figura 75. Efeito fotoelétrico promovido pela radiação γ ou X em um átomo absorvedor (Fonte: http://www.ndt-ed.org).

c) Efeito Compton - Neste efeito, a radiação gama ou X é parcialmente absorvida por um elétron orbital resultando também em sua ejeção do átomo (Fig. 76). Este elétron ejetado é chamado de elétron Compton. Como o elétron absorveu parte da energia incidente, a radiação continu-

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Interação da radiação com a matéria e efeitos biológicos das radiações ionizantes

ará se propagando só que com menor energia e com nova trajetória. Durante o seu percurso pela matéria a radiação poderá continuar produzindo novas ionizações. Geralmente, a radiação é absorvida por elétrons mais externos. Também os elétrons Compton podem produzir ionização e excitação de outros átomos. Este efeito acontece quando a radiação tem energia superior a 1 MeV (Knoche, 1991, p.90; Heneine, 2006, p.347, Okuno, 2007, p.18).

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Figura 76. Efeito Compton promovido pela radiação γ ou X em um átomo absorvedor (Fonte: http://www.ndt-ed.org).

d) Produção de par – Neste fenômeno (Fig. 77), a radiação ao interagir com o núcleo nas vizinhanças deste átomo forma um par de partículas beta, sendo uma β+ e outra β-. A radiação original desaparece e produz estas duas partículas gastando para gerar suas massas 0,51 MeV para cada uma delas. Além disto, ela terá que ter energia suficiente para, além de criar massa, dotar as partículas formadas de energia cinética de modo a que elas possam se afastar uma da outra. Assim, é necessário que a radiação original tenha energia superior a 1,02 MeV. As partículas beta geradas dissipam sua energia por ionização, excitação, bremsstrahlung ou por aniquilação (β+).

Figura 77. Produção de par (Fonte: http://www.ndt-ed.org).

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e) Fotodesintegração – Neste fenômeno ocorre a captura da radiação pelo núcleo do átomo absorvedor (Fig. 78). O núcleo ao absorver uma grande quantidade de energia (entre 5 a 15 MeV) da radiação sofre desintegração, emitindo prótons, nêutrons, partícula á (2 prótons e 2 nêutrons) ou até mesmo um grupo de partículas (Conde-Garcia, 1998, p.284).

Figura 78. Fenômeno da fotodesintegração por interação da radiação com o núcleo do átomo (Fonte: http://www.ndt-ed.org).

CONCLUSÃO Podemos concluir que a radiação pode transferir parte ou toda a sua energia para o átomo-alvo podendo acontecer, excitação ou ionização do átomo, emissão de raios X (bremssrahlung), aniquilação de partículas, espalhamento coerente, efeito fotoelétrico, efeito Compton, produção de par e fotodesintegração. A ocorrência de um efeito ou outro vai depender se radiação interagiu com o núcleo atômico ou com os elétrons, da energia da radiação incidente, do tipo de radiação e do átomo-alvo. Após a interação da radiação com a matéria pode ocorrer uma lesão que é, inicialmente, molecular e evolui para alterações químicas e bioquímicas. Destes eventos, aparecem os resultados biológicos que abordaremos no próximo capítulo.

RESUMO A radiação á, ao interagir com o meio produz dois fenômenos principais, ionização e excitação. Na ionização, o elétron absorve energia da radiação e é arrancado do átomo. Na excitação, o elétron também absorve energia da radiação, só que em menor quantidade e é transferido para um orbital mais externo. O elétron ejetado pela radiação é chamado de elétron primário. O elétron primário pode interagir com outros elétrons podendo causar ejeção de outros eletrons que serão chamados de secun-

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Interação da radiação com a matéria e efeitos biológicos das radiações ionizantes

dários. A partícula β+ também pode produzir ionização ou excitação do átomo por processo similar. Além disso, esta partícula pode ser atraída para perto do núcleo do átomo e sofrer um desvio perdendo energia na forma de raios X (fenômeno de bremsstrahlung). Na interação β+ com a matéria além dos fenômenos de excitação e ionização pode ocorre a aniquilação de partículas. Neste fenômeno, há o choque entre uma partícula β+ e β- de cargas contrárias, elas são aniquiladas (desaparecem) e ocorre emissão de dois fótons de radiação eletromagnética com a energia igual a da partícula beta. Na interação da radiação eletromagnética com a matéria podem ocorrer 5 tipos de interações: espalhamento coerente, efeito fotoelétrico, efeito Compton, produção de par e fotodesintegração. Se vai acontecer um fenômeno ou outro depende se a radiação vai interagir com o elétron ou com o núcleo e da quantidade de energia da radiação.

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ATIVIDADES 1. Diferencie excitação e ionização do átomo. 2. Como são gerados dos raios X no fenômeno de bremsstrahlung? 3. Descreva a aniquilação de partículas. 4. Diferencie os efeitos fotoelétrico e Compton. 5. O que pode acontecer quando a radiação eletromagnética interage com o núcleo de átomo?

COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES 1. Estes efeitos ocorrem por interação da radiação com os elétrons do átomo-alvo. O elétron, ao absorver a energia da radiação pode ser excitado ou ionizado. 2. Neste fenômeno o raio X é produzido quando o elétron ou a partícula beta negativa passa próximo ao núcleo. 3. Ocorre quando duas partículas betas de cargas opostas se chocam. 4. Existem diferenças no que diz respeito à energia da radiação incidente se é alta ou baixa, se o elétron absorve toda ou parte da energia da radiação e se após a interação se a radiação acaba ou continua se propagando. 5. Você deve explicar os fenômenos de produção de par e a fotodesintegração.

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PRÓXIMA AULA Na próxima aula estudaremos a sequência de eventos que levam aos efeitos biológicos das radiações ionizantes.

REFERÊNCIAS CONDE-GARCIA, E. A. C. Biofísica. Ed. Savier, 1998. HENEINE, I. F. Biofísica Básica. Ed. Atheneu, 2006. KNOCHE, H. W. Radioisotopic methods for biological and medical research. Ed. Oxford University Press, 1991. OKUNO, E. Radiação. Efeitos, riscos e benefícios. Ed. Harbra, 2007. OKUNO, E.; CALDAS, I. L.; CHOW, C. Física para ciências biológicas e biomédicas. Ed. Harbra, 1986.

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Aula EFEITOS BIOLÓGICOS DAS RADIAÇÕES IONIZANTES META Conhecimento dos efeitos biológicos das radiações ionizantes.

OBJETIVOS Ao final desta aula, o aluno deverá: conhecer o mecanismo de ação das radiações; diferenciar efeitos diretos e indiretos; diferenciar efeitos agudos e tardios; diferenciar efeitos somáticos e hereditários; diferenciar efeitos estocásticos e não-estocásticos; e conhecer as formas da síndrome aguda das radiações.

PRÉ-REQUISITOS O domínio desta aula depende dos conhecimentos abordados nos capítulos 6 e 7.

Os raios alfa são os mais fracos e podem ser bloqueados por papel. Os raios beta atravessam o papel, mas não uma folha de alumínio. Os raios gama passam pelos dois, mas não atravessam um bloco de chumbo (Fonte: www.gettyimages.com).

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INTRODUÇÃO O nosso organismo é formado por moléculas, tais como água, proteínas, lipídios, DNA, RNA, glicose, etc., e elas são formadas por átomos, tais como carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Nós vimos, no capítulo anterior, que a interação da radiação com a matéria acontece com o átomo, podendo interagir com o seu núcleo atômico ou com os seus elétrons. Desta forma, quando um indivíduo é irradiado, ou seja, quando a radiação atravessa o seu corpo, os elétrons que serão arrancados pela radiação fazem parte dos átomos do seu organismo. Um aspecto importante que devemos levar em consideração é o fato de a radiação atravessar o nosso corpo e não sentimos absolutamente nada. Ninguém sente dor ao fazer uma radiografia. A ausência de dor não significa que a radiação é inofensiva e que não produz efeito biológico. Quando um ser vivo é irradiado, recebe energia da radiação. Os átomos do corpo irradiado absorvem essa energia e dá-se início a uma série de eventos físicos, químicos e biológicos que serão sumariamente abordados neste capítulo.

Os danos biológicos causados pela radiação começam em conseqüência das interações ionizantes com os átomos formadores das células (Fonte: www.m9.com.br)

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Efeitos biológicos das radiações ionizantes

EFEITOS BIOLÓGICOS DAS RADIAÇÕES

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O efeito biológico da radiação está relacionado com a capacidade de ela provocar ionização na matéria com a qual interage, isto é, com sua capacidade de arrancar elétrons da matéria, criando íons. A eficiência para produzir ionização, como já foi visto, é diferente para os tipos de radiação, obedecendo à seguinte ordem decrescente: α > β > γ. A transformação de uma molécula vital (proteína, água, DNA, etc.) pela ação da radiação pode levar a consequências graves na célula, uma vez que, para viver, ela necessita do correto funcionamento de muitas moléculas. Quando um ser vivo é irradiado, parte da energia radiação é absorvida pelos átomos do ser irradiado. Com isto, torna-se inevitável que aconteça o efeito físico da radiação que consiste em ionização ou excitação de átomos. Estes efeitos acontecem com uma duração muito pequena, na ordem de quatrilionésimo de segundo (Okuno, 2007, p.42). Eles somente são evitados com o uso de blindagens apropriadas para cada tipo de radiação. Como consequência do efeito físico, acaba ocorrendo um efeito físico-químico. No efeito físico-químico ocorre a produção de íons pela radiação, formação de radicais livres e ruptura de ligações químicas das moléculas. Este efeito acontece também muito rapidamente após a interação da radiação com a matéria. Segundo Okuno (2007), este estágio acontece em, aproximadamente, um milionésimo de segundo. Depois do efeito físicoquímico aparece o efeito bioquímico. Neste efeito, os radicais livres e íons formados pela radiação, como são espécies bastante reativas, passam a se ligar com moléculas vitais do nosso corpo, tais como proteínas, enzimas, DNA, RNA, etc. Por último, acontece o efeito biológico no qual acontecem as alterações morfológicas e funcionais na célula e os seus efeitos podem ser clinicamente observados (Okuno, 2007, p.43). O mecanismo de interação da radiação com a célula pode ser de dois tipos: 1) do tipo direto, no qual a radiação interage diretamente com alguma molécula vital do nosso organismo tal como o DNA, proteína ou 2) do tipo indireto, no qual a radiação interage com a molécula da água promovendo a formação de radicais livres e estes, por sua vez, afetam o DNA ou proteínas. Como a água constitui cerca de 70 % das nossas células, o efeito indireto tem maior probabilidade de acontecer. Radiólise da água – é uma modificação estrutural na molécula da água promovida pela radiação. Constitui um importante processo na interação das radiações ionizantes com o tecido. Os primeiros íons formados pela interação da radiação com a água são: H2O+ e e-. Depois de 10-8 segundos, são formados outras espécies tais como: H2, H2O2, OH- e também radicais livres da água H·, ·OH. Como o íon hidrogênio é uma espécie reativa, ele se combina, em solução aquosa, com água formando o íon hidrônio (H3O+). Os quadros abaixo mostram algumas reações que acontecem no

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processo de radiólise da água. Na presença de oxigênio a formação de peróxido de hidrogênio (H2O2) aumenta devido à formação de radical hidroperóxido (HO2·). Segundo Conde-Garcia (1998, p.326) o H2O2 pode difundir-se no nosso corpo alcançando grandes distâncias, ao contrário dos radicais livres que, por serem muito reativos, se combinam rapidamente com alguma molécula e permanecem no local onde foram produzidos.

A célula apresenta mecanismos de defesa para remover ou neutralizar os íons e os radicais livres. Por exemplo, as enzimas catalase e peroxidases são capazes de remover os radicais peróxidos formados pela radiação. A enzima superóxido dismutase, conhecida como SOD, elimina os radicais superóxidos. Além das enzimas, as vitaminas C e E também podem agir neutralizando os radicais livres. Se a célula conseguir neutralizar os radicais livres formados pela radiação, o efeito químico não evoluirá para efeito biológico e os pequenos efeitos não chegam a tornar-se visíveis. Entretanto, caso a dose de radiação recebida por um indivíduo seja alta, a formação de radicais livres será mais intensa e há grande chance de a célula não conseguir neutralizar todos os radicais livres formados. Após

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Efeitos biológicos das radiações ionizantes

um certo intervalo de tempo, aparecem as lesões a nível celular ou a nível do organismo.

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CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS EFEITOS BIOLÓGICOS DAS RADIAÇÕES 1. Especificidade – Os efeitos biológicos verificados em um paciente irradiado ou contaminado não são específicos da radiação, ou seja, outros agentes físicos ou químicos podem produzir os mesmos efeitos. Por exemplo, um indivíduo que se submete a uma radioterapia pode ter queda de cabelo. Este efeito só é visto em pacientes submetidos à radioterapia? Não. Outros agentes podem produzir queda de cabelo. A quimioterapia também pode induzir este mesmo efeito. Uma exposição à radiação na pele pode induzir queimaduras. Só a radiação queima? Não. O fogo e um ácido também podem queimar sua pele. Podemos, então, verificar que os sinais e sintomas observados em pacientes expostos à radiação são inespecíficos. E claro que isto dificulta o diagnóstico. Agora se o paciente irradiado apresenta mais de um sinal ou sintoma decorrente da radiação, isto facilitará o diagnóstico. 2. Tempo de latência – o tempo de latência é o tempo de decorre entre a exposição à radiação e o aparecimento visível dos danos biológicos. Este tempo depende da dose de radiação recebida, ou seja, quanto maior a dose de exposição menor será o tempo de latência. Imagine uma situação em que o indivíduo entrou em contato com uma fonte radioativa e depois de 5 dias apresentou vômitos e diarréia severos. Qual é o tempo de latência? Cinco dias. Baseado no tempo de latência os efeitos das radiações são classificados em agudos ou tardios (crônicos). - efeito agudo - apresenta um tempo de latência curto. Geralmente, os efeitos aparecem com um tempo de latência de 2 meses. Podem aparecer em decorrência de uma exposição a uma dose alta de radiação em um intervalo de tempo muito curto. - efeito tardio ou crônico – são considerados tardios os efeitos que se manifestam no indivíduo após 3 meses da exposição à radiação (CondeGarcia, 1998, p.329). Podem aparecer decorrente de uma exposição de dose baixas por um longo tempo (Ex. radiologista, que recebe doses baixas de radiação diariamente no seu trabalho durante muitos anos) ou podem aparecer decorrente de uma dose alta com um tempo de exposição pequeno (Ex. indivíduo envolvido em um acidente radioativo, recebeu uma alta dose de radiação, sobreviveu aos efeitos agudos, mas manifestou um efeito crônico após meses ou anos da exposição.

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3. Reversibilidade – Nós vimos que o nosso organismo tem mecanismos de defesa contra a radiação. Este mecanismo consiste, principalmente, na remoção e neutralização dos íons e radicais livres formados pela radiação. Desta forma, os efeitos biológicos podem ser reversíveis. No caso da necrose e do câncer os efeitos são irreversíveis. Por que? Uma célula cancerígena nunca volta a ser uma célula saudável e a necrose é o estado de morte de um tecido ou parte dele em um organismo vivo, uma condição também irreversível. 4. Dose limiar – certos efeitos biológicos somente se manifestam se o indivíduo receber uma dose de radiação acima de um valor determinado, acima de um limiar. Por exemplo, para um indivíduo apresentar vômitos e diarréia é necessário que ele se exponha a uma dose de 6 Sv de radiação. Para este tipo de efeito (vômitos e diarréia) existe um limiar de dose já conhecido para o efeito se manifestar. Existem alguns efeitos biológicos provocados pela radiação que não apresentam dose limiar. O que significa a unidade Sv (Sievert)? É uma unidade de dose equivalente e o seu sub-múltiplo é o milisievert (mSv). Para termos uma noção da dose equivalente, a Comissão Internacional de Proteção Radiológica estabeleceu que o limite máximo permissível para os indivíduos do público é de 1 mSv ao ano (Okuno, 2007, p.38). H = D. Q. N onde : • H é a dose equivalente (Sv) • D é a dose absorvida (Gy) • Q é um fator de qualidade da radiação • N é outro fator que leva em consideração o tipo de tecido que está absorvendo a radiação. A dose de radiação absorvida é a energia total absorvida por unidade de massa. No SI (Sistema Internacional) a unidade para dose de radiação absorvida é o Gray (Gy) e corresponde à absorção de um Joule por quilograma de tecido vivo atingido. 1 Gy = 1 J/kg = 1 Sv O efeito que uma determinada radiação pode provocar em um indivíduo depende da dose absorvida por ele e do tipo de radiação a que foi exposto (alfa, beta ou gama). A radiação α é altamente ionizante, enquanto as radiações beta e gama são menos ionizantes. Desta forma foi criado o fator de qualidade (Q) que corresponde a uma constante que

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depende do tipo de radiação absorvida. O Q das radiações β e α é 1 e da radiação α é 20.

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5) Transmissibilidade – os efeitos decorrentes da radiação podem ser classificados em efeitos somáticos e efeitos hereditários. Os somáticos são os efeitos que ocorrem em células somáticas (não reprodutoras) e se manifestam no indivíduo irradiado não sendo possível ser transmissível aos descendentes. Por exemplo, uma queimadura na mão pela radiação que evoluiu para uma necrose seguida de amputação do membro. Apenas o indivíduo que foi irradiado é que sofreu os efeitos da radiação. Este efeito somático jamais será observado nos seus descendentes. O efeito só é transmissível ou hereditário aos descendentes, ou seja, passa de geração a geração, quando as células sexuais (óvulo ou espermatozóide) forem irradiadas e usadas na concepção. Estes efeitos são chamados de hereditários. A maior parte das alterações causadas pela radiação é somático, ou seja, não é transmissível. Isto se deve ao fato do nosso organismo ser formado por um número bem maior de células somáticas quando comparado às células sexuais. Após os acidentes de Hiroxima e Nagasáqui, não foi detectado nenhum aumento de anormalidades genéticas nos descendentes de indivíduos irradiados (Okuno, 2007, p.47). 6) Radiossensibilidade – O nosso corpo é formado por tecidos constituídos de células diferenciadas e células indiferenciadas. O que é uma célula indiferenciada? Considera-se célula indiferenciada aquela que ainda “não tem uma função definida no embrião ou no orgasmo”. Durante o processo de diferenciação as células assumem as funções que irão realizar. O nosso organismo é formado, na sua grande maioria, de células diferenciadas que apresentam baixa taxa de divisão. São exemplos de células diferenciadas as dos tecidos ósseo, muscular, fígado, rins, pulmões e coração. As células nervosas também são células diferenciadas com baixa capacidade de divisão. As células que se dividem muito pouco acumulam lesões na molécula de DNA. Algumas dessas mutações não comprometem as funções vitais da célula e, conseqüentemente, do órgão. Podemos concluir que quanto maior o grau de diferenciação celular, menor a taxa de divisão celular e menor serão as possibilidades de morte celular induzida pela radiação. Células diferenciadas são mais radiorresistentes. As células indiferenciadas, por sua vez, apresentam uma alta taxa de divisão e, por isso, são mais sensíveis à ação das radiações ionizantes. Quanto menor a diferenciação celular maior a probabilidade de indução de morte por ação das radiações ionizantes. O feto apresenta uma intensa proliferação celular sendo extremamente vulnerável à ação das radiações ionizantes (www.cnen.gov.br). Na Dinamarca, quando o feto ou embrião recebe uma dose de radiação acima de 0,1 Gy, o aborto é recomendado para evitar que a criança nasça com

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leucemia, malformações física ou mental (Okuno, 2007, p.48). As células da medula óssea - responsáveis pela formação das células sanguíneas (glóbulos brancos, glóbulos vermelhos e plaquetas) -, os óvulos e espermatozóides e as células das camadas mais internas dos tecidos de recobrimento (pele, vilosidades intestinais, de glândulas) são muito vulneráveis à ação das radiações ionizantes por apresentarem uma alta taxa de divisão celular. Em função do grau de diferenciação celular uma célula pode apresentar maior ou menor sensibilidade frente às radiações. Bergonié & Tribondeau (1906) descreveram as primeiras observações dos estudos sobre a sensibilidade das células às radiações ionizantes. Eles relataram que a radiossensibilidade das células é diretamente proporcional a sua atividade mitótica e inversamente proporcional ao seu grau de diferenciação. Isto significa dizer que as células com grande poder de divisão células são as mais sensíveis e as mais diferenciadas, isto é, aquelas com menor habilidade em sofrer mitose, são mais resistentes à radiação. Os efeitos biológicos das radiações ionizantes podem ser classificados em estocásticos e não-estocásticos. Os efeitos estocásticos são efeitos que se manifestam no indivíduo irradiado e não apresentam dose limiar. O efeito é clinicamente observável apenas quando a dose da radiação for maior do que este limiar. Na curva dose-resposta (Fig. 79), nota-se que os efeitos estocásticos se iniciam na origem 0 do gráfico, o que mostra que não há um limiar de dose para eles. Qualquer dose de radiação, mesmo muito pequena, pode resultar em efeito estocástico. Entretanto, quanto maior a dose maior a probabilidade de ocorrência.

Figura 79. Efeito estocástico (curva A) e não-estocástico (curva B) das radiações.

Para minimizar a probabilidade de ocorrência de efeitos estocásticos, a proteção radiológica deve ser empregada de tal forma que a dose de

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radiação seja a mais baixa possível. Os efeitos estocásticos como a carcinogênese e danos genéticos são os mais importantes. Os efeitos não-estocásticos são efeitos que só se manifestam no indivíduo irradiado acima de um determinado limiar de dose (Fig. 79). Desta forma, a dose deve exceder um valor mínimo para que os efeitos sejam observados (Knoche, 1991, p. 319). A intensidade da resposta aumenta com o aumento da dose e uma curva sigmóide é observada. A Tabela 1 mostra exemplos de efeitos não-estocásticos.

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Tabela 1. Exemplos de efeitos não-estocásticos

SÍNDROME AGUDA DA RADIAÇÃO A síndrome aguda da radiação caracteriza-se por um conjunto de sinais e sintomas apresentados pelo paciente que recebeu uma dose elevada de radiação em um curto intervalo de tempo. Como a dose recebida foi elevada, o indivíduo apresentará efeitos agudos que são aqueles que se manifestam em um período de latência de horas ou dias. Nós vimos que as células apresentam resistências diferentes quando submetidas às radiações ionizantes. Conhecendo-se a dose recebida pelo indivíduo é possível prever qual será o sistema biológico afetado. É claro que doses mais baixas de radiação vão afetar os órgãos mais sensíveis e as doses mais altas afetarão todos os órgãos, inclusive os mais resistentes. Desta forma, como a medula óssea é radiossensível, ela sofrerá primeiro após uma irradiação. Em doses superiores a 2 Sv o indivíduo apresentará os efeitos hematopoéticos da síndrome aguda da radiação. Com a medula óssea danificada pela radiação, a produção das células sanguíneas ficará comprometida. Tem-se diminuição do número de plaquetas, fato a que se chama de plaquetopenia. Como as plaquetas são importantes na coagulação sanguínea, a diminuição destas células pode induzir o aparecimento de hemorragia e sangramentos. Tem-se também diminuição dos glóbulos brancos ou leucócitos, fenômeno conhecido como leucopenia. Como são

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Biofísica para Biólogos

células de defesa, a leucopenia deixa o indivíduo vulnerável à infecções bacterianas ou virais. Nesta fase, recomenda-se o isolamento do paciente e o uso de máscaras. Além da plaquetopenia e leucopenia, ocorre também anemia que corresponde a uma redução no número de glóbulos vermelhos ou hemácia. De acordo com a gravidade do paciente recomenda-se fazer transfusão sanguínea ou transfusão com concentrado de plaquetas ou de hemácias. Doses maiores que 6 Sv podem danificar os sistemas menos sensíveis à radiação tal como o sistema do trato gastrointestinal (TGI). O tecido de revestimento do TGI é formado por várias camadas celulares. Nelas, as células mais internas são responsáveis pela reposição das células das camadas mais externas. Como as células das camadas mais externas são mais diferenciadas, elas morrem quando são irradiadas e acabam sendo eliminadas por descamação. Quando a radiação atinge as camadas mais internas, as células aí localizadas morrem, e o efeito final se manifesta na forma de ulcerações intestinais que geralmente não cicatrizam. Esta fase é conhecida como síndrome gastrointestinal e o indivíduo apresenta diarréia e vômitos persistentes. Como há perda de líquidos e eletrólitos é importante hidratar este paciente com soro fisiológico por via endovenosa. Na síndrome cerebral, observada em dose acima de 20 Sv, as células do sistema nervoso são danificadas pela radiação e o indivíduo apresenta desorientação, convulsões e choque. Segundo Conde-Garcia (1998) a gravidade da síndrome aguda da radiação depende da dose de radiação recebida, da extensão da área irradiada, do órgão irradiado, da resposta biológica do indivíduo e da presença ou não de fatores radiossensibilizadores.

CONCLUSÃO Logo após a descoberta das radiações ionizantes, ficou claro que as radiações ionizantes poderiam danificar os tecidos biológicos. Inicialmente, foi verificado que a exposição de um indivíduo à radiação poderia causar danos à pele (queimaduras) e queda de cabelo em pacientes submetidos à radioterapia. Entretanto, devemos ressaltar o lado benéfico do uso correto da radiação. A radiação pode, entre outras aplicações, ser usada para fins diagnósticos (obtenção de imagens do corpo humano) e radioterápicas (tratamento do câncer). Desta forma, é de suma importância estudar os efeitos biológicos promovidos pelas radiações ionizantes, de modo a contribuir para minimizar os seus efeitos deletérios e maximizar os benefícios do seu uso.

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Efeitos biológicos das radiações ionizantes

RESUMO

Aula

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Os efeitos biológicos das radiações são decorrentes da interação da radiação com os elétrons do átomo absorvedor. Nesta interação, inicialmente, as radiações promovem um efeito físico que consiste em excitação ou ionização do átomo. Seguindo-se a este, iniciam-se os efeitos físico-químicos, bioquímicos e biológicos. A radiação pode interagir de forma direta atingindo alguma molécula vital do organismo (DNA) ou de forma indireta, através da radiólise da água. Os efeitos biológicos das radiações ionizantes não são específicos das radiações, podem apresentar um tempo de latência para se manifestar clinicamente, podem ser reversíveis ou não a depender se o organismo é ou não capaz de reparar os danos induzidos pela radiação. Alguns efeitos biológicos somente se manifestam acima de uma dose limiar de radiação. Os efeitos biológicos são classificados em agudo (quando aparecem em até 2 meses) ou tardio (acima de 2 meses), somático (atingem as células somáticas) ou hereditário (atingem os gametas e são transmitidos aos descendentes), estocástico (sem dose limiar) ou não-estocástico (exigem dose limiar). A síndrome aguda das radiações apresenta as formas hematopoética, gastrointestinal e cerebral e só é observada em doses elevadas de radiação ou em caso de um acidente envolvendo material radioativo.

REFERÊNCIAS CONDE-GARCIA, E. A. C. Biofísica. Ed. Savier, 1998. HENEINE, I. F. Biofísica Básica. Ed. Atheneu, 2006. KNOCHE, H. W. Radioisotopic methods for biological and medical research. Ed. Oxford University Press, 1991. OKUNO, E. Radiação. Efeitos, riscos e benefícios. Ed. Harbra, 2007. OKUNO, E.; CALDAS, I. L.; CHOW, C. Física para ciências biológicas e biomédicas. Ed. Harbra, 1986. www.cnen.gov.br

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