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Fisiologia Humana - Cengage Learning
Fisiologia Humana Das células aos sistemas Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Sherwood, Lauralee Fisiologia humana : das células aos sistemas / Lauralee Sherwood ; revisão técnica Maria Elisa Pimentel Piemonte ; tradução All Tasks. -- São Paulo : Cengage Learning, 2011. Título original: Human physiology : from cells to systems. 7. ed. norte-americana. ISBN 978-85-221-0805-3 1. Fisiologia humana I. Título. CDD-612 NLM-QT-104 10-05767 Índices para catálogo sistemático: 1. Fisiologia humana : Ciências médicas 612 2. Fisiologia humana : Ciências médicas QT-104 Tradução da 7 a edição norte-amer icana Fisiologia Humana Das células aos sistemas Lauralee Sherwood Departamento de Fisiologia e Farmacologia Faculdade de Medicina West Virginia University Revisão técnica Maria Elisa Pimentel Piemonte P.T., Ph.D. Docente do Departamento de Fisioterapia, Fonoaudiologia e Terapia Ocupacional da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo. Mestre e Doutora em Neurociências e Comportamento pelo Instituto de Psicologia da Universidade de São Paulo. Tradução All Tasks Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos Apêndice A iii Fisiologia Humana: Das células aos sistemas tradução da sétima edição norte-americana © 2011, Cengage Learning. Todos os direitos reservados. © 2010, 2007 Brooks/Cole, Cengage Learning Lauralee Sherwood Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste livro poderá ser reproduzida, sejam quais forem os meios empregados, sem a permissão, por escrito, da Editora. Aos infratores aplicam-se as sanções previstas nos artigos 102, 104, 106 e 107 da Lei no 9.610, de 19 de fevereiro de 1998. Gerente editorial: Patricia La Rosa Editora de desenvolvimento e produtora editorial: Gisele Gonçalves Bueno Quirino de Souza Pesquisa Iconográfica: Odete Pereira Supervisora de produção editorial e gráfica: Fabiana Alencar Título Original: Human Physiology – 7th editon ISBN original: ISBN-13: 978-0-495-82629-3, ISBN-10: 0495-82629-4 Tradução: All Tasks Revisão técnica: Maria Elisa Pimentel Piemonte Copydesk: Fábio Larsson Esta editora empenhou-se em contatar os responsáveis pelos direitos autorais de todas as imagens e de outros materiais utilizados neste livro. Se porventura for constatada a omissão involuntária na identificação de algum deles, dispomo-nos a efetuar, futuramente, os possíveis acertos. Para informações sobre nossos produtos, entre em contato pelo telefone 0800 11 19 39 Para permissão de uso de material desta obra, envie seu pedido para [email protected] Diagramação: Negrito Design Capa: Souto Crescimento da Marca © 2011, Cengage Learning. Todos os direitos reservados. Revisão: Ricardo Franzin, Maria Dolores D. S. Mata ISBN-13: 978-85-221-0805-3 ISBN-10: 85-221-0805-6 Cengage Learning Condomínio E-Business Park Rua Werner Siemens, 111 – Prédio 20 – Espaço 04 Lapa de Baixo – CEP 05069-900 – São Paulo – SP Tel.: (11) 3665-9900 – Fax: (11) 3665-9901 SAC: 0800 11 19 39 Para suas soluções de curso e aprendizado, visite www.cengage.com.br Impresso no Brasil. 1 2 3 13 12 11 Sumário apên dic es Sumário Apêndice A Sistema métrico, 2 Apêndice B Revisão dos princípios químicos, 4 Apêndice C rmazenamento, replicação e expressão da informação A genética, 19 Apêndice D Princípios do raciocínio quantitativo, 32 Apêndice E Referências à fisiologia do exercício no texto, 36 Apêndice F espostas às perguntas objetivas, exercícios R quantitativos, pontos a ponderar e considerações clínicas dos finais de capítulo, 38 Apêndice A 1 apên dic e Sistema métrico Equivalência de unidades métricas e inglesas Unidade métrica Unidade inglesa Medida Símbolo = 1.000 metros 103 m km 0,62137 milha 10 m m 39,37 polegadas 1 metro 0 1 decímetro = 1/10 metro 10 –1 m dm 3,937 polegadas 1 centímetro = 1/100 metro 10 –2 m cm 0,3937 polegada 1 milímetro = 1/1.000 metro 10 –3 m mm Não utilizada 1 micrômetro = 1/1.000.000 10 –6 m µm Não utilizada (ou mícron) 1 nanômetro metro = 1/1.000.000.000 (ou µ) 10 –9 m nm $OWXUDKXPDQD P equivalente Medidas lineares 1 quilômetro P P &RPSULPHQWRGH DOJXPDVFpOXODV QHUYRVDVHPXVFXODUHV 2OKRQX TABELA A-1 A 2YRGHJDOLQKD FP 2YRGHUm Não utilizada PP 1,0567 quarto µP metro 1 litro L líquido estadunidense 1 mililitro = 1/1.000 litro ml µP = volume de 1 g de &pOXODV YHJHWDLV HDQLPDLV 0LFURVFRSLDySWLFD Medidas de capacidade (para líquidos e gases) 1~FOHR 0DLRULDGDVEDFWpULDV Medidas de volume 1 metro cúbico P m3 1 decímetro = 1/1.000 metro cúbico cúbico = 1 litro (L) 1 centímetro = 1/1.000.000 cúbico metro cúbico dm3 cm3 = ml = 1 mililitro (ml) 1 milímetro = 1/100.000.000 cúbico metro cúbico QP mm3 = 1.000 gramas 1 grama kg 2,2046 libras g 15,432 grãos 1 miligrama = 1/1.000 grama mg 0,01 grão 1 micrograma = 1/1.000.000 grama µg (ou mcg) (aproximadamente) * CNTP = condições normais de temperatura e pressão 2 Fisiologia humana 0LWRF{QGULDV 0LFRSODVPDV PHQRUHVEDFWpULDV 9tUXV 5LERVVRPRV 3URWHtQDV /LStGLRV Medidas de massa 1 quilograma QP 0LFURVFRSLDHOHWU{QLFD água nas CNTP* QP 3HTXHQDV PROpFXODV QP • Comparação da altura humana em metros com o tamanho de algumas estruturas biológicas e moleculares. Conversões do sistema métrico para o inglês Comprimento Inglês &HQWtPHWURV Polegada = Jarda = Pé Milha (5.280 pés) = = Métrico 2,54 centímetros 0,91 metro 0,30 1,61 metro quilômetro Para converter multiplicar por para obter Polegadas 2,54 centímetros Centímetros 0,39 polegadas Pés Milímetros 30,00 centímetros 0,039 polegadas Massa/peso Inglês Grão = Libra = Onça Tonelada (2.000 libras) = = Métrico 453,60 gramas tonelada métrica multiplicar por para obter Onças 28,3 gramas Libras 0,45 quilogramas Gramas Quilogramas 453,6 gramas 0,035 onças 2,2 libras Volume e capacidade Inglês Polegada cúbica Pé cúbico Jarda cúbica = = = Métrico 16,39 0,03 0,765 centímetros cúbicos metro cúbico Onça = 0,03 litro Quarto = 0,95 litro Quartilho (Pint) Galão = = 0,47 3,79 litro multiplicar por para obter Onças líquidas 30,00 mililitros Mililitro 0,03 onças líquidas Litro 0,95 1,06 ) ) ) ) ) ² ² ² ²) ² & & & & & & ² ² ² ² ²° litros Para converter Quarto metro cúbico Para converter Libras ) & gramas ) miligramas 0,91 3ROHJDGDV 64,80 28,35 &RPSDUDomRGDWHPSHUDWXUD )DKUHQKHLW&HOVLXV &RPSDUDomRGD PHGLGDOLQHDU Conversões de temperatura litros quartos Para conversão de Fahrenheit para Celsius: Tc = (Tf – 32)/1,8 Para conversão de Celsius em Fahrenheit: Tf = (Tc × 1,8) + 32 Legenda Tc = Temperatura em graus Celsius Tf = Temperatura em Fahrenheit Apêndice A 3 apên dic e B Revisão dos princípios químicos Por Spencer Seager, Weber State University, e Lauralee Sherwood Nível químico de organização no corpo Matéria é qualquer coisa que ocupe espaço e tenha massa, incluindo todas as coisas vivas e não vivas do universo. Massa é a quantidade de matéria em um objeto. Peso, por sua vez, é o efeito da gravidade sobre aquela massa. Quanto mais gravidade for exercida sobre uma massa, maior o peso de sua massa. Um astronauta tem a mesma massa na Terra ou no espaço, mas não tem peso na gravidade zero do espaço. 3UyWRQ 1rXWURQ 1~FOHR Átomos Toda a matéria é composta por pequenas partículas chamadas átomos. Estas partículas são muito pequenas para serem visualizadas individualmente, mesmo com os mais potentes microscópios eletrônicos disponíveis atualmente. Embora extremamente pequenos, os átomos consistem em três tipos de partículas subatômicas ainda menores. Diferentes tipos de átomos variam quanto ao número destas diversas partículas subatômicas que contêm. Prótons e nêutrons são partículas de massa quase idêntica, sendo que os prótons carregam uma carga positiva e os nêutrons não possuem carga. Os elétrons possuem uma massa muito menor que os prótons e os nêutrons e são negativamente carregados. Um átomo constitui-se de duas regiões – um núcleo denso e central, composto por prótons e nêutrons, cercado por uma nuvem de elétrons tridimensional, na qual os elétrons movem-se rapidamente em órbitas em torno do núcleo ( Figura B-1). A intensidade da carga de um próton corresponde exatamente à de um elétron, porém, com sinal oposto, sendo positiva. Em todos os átomos, o número de prótons no núcleo é igual ao número de elétrons movendo-se ao seu redor, de modo que sua carga fique em equilíbrio e os átomos sejam neutros. · Elementos e símbolos atômicos Um elemento é uma substância pura composta por um único tipo de átomo. Uma amostra pura do elemento carbono contém apenas átomos de carbono, embora esses átomos possam estar organizados na forma de um diamante ou na forma de grafite (o “centro” do lápis). Cada elemento é designado por um símbolo atômico, uma abreviação química de uma ou duas letras que abrevia o nome do elemento. Geralmente, estes símbolos são fáceis de acompanhar, porque remetem ao nome do elemento em português. Portanto, H corresponde a hidrogênio, C, ao car- 4 Fisiologia humana (OpWURQ • FIGURA B-1 O átomo. Um átomo é formado por duas regiões. O núcleo contém prótons e nêutrons e compõe 99,9% da massa. Em torno do núcleo está a nuvem de elétrons, na qual os elétrons movem-se rapidamente ao redor do núcleo (a figura não está desenhada em escala). bono e O, ao oxigênio. Em alguns casos, o símbolo atômico baseia-se no nome do elemento em latim – por exemplo, Na para sódio (natrium em Latim) e K para potássio (kalium). Dos 109 elementos conhecidos, 26 são normalmente encontrados no organismo. Quatro elementos – oxigênio, carbono, hidrogênio e nitrogênio – compõem 96% da massa corporal. Compostos e moléculas Substâncias puras compostas por mais de um tipo de átomo são conhecidas como compostos. A água pura, por exemplo, é um composto que contém átomos de hidrogênio e átomos de oxigênio em uma proporção de 2 para 1, independente de a água estar na forma líquida, sólida (gelo) ou gasosa (vapor). Uma molécula é a menor unidade de uma substância pura que possua as propriedades daquela substância e seja capaz de uma existência estável e independente. Por exemplo, uma molécula de água consiste em dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio, mantidos unidos por ligações químicas. Número atômico Sobre o que exatamente estamos falando ao nos referirmos a um “tipo” de átomo? Ou seja, o que faz com que átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio sejam diferentes? A resposta é o número de prótons no núcleo. Independente de onde sejam encontrados, todos os átomos de hidrogênio possuem um próton no núcleo, todos os átomos de carbono possuem seis e todos os átomos de oxigênio possuem oito. Obviamente, estes números também representam o número de elétrons que se movem ao redor de cada núcleo, porque o número de elétrons e o número de prótons em um átomo são iguais. O número de prótons no núcleo de um átomo de um elemento é chamado de número atômico do elemento. Peso atômico Como esperado, átomos pequenos possuem massas pequenas. Por exemplo, a massa real de um átomo de hidrogênio corresponde a 1,67 × 10-24 g, a de um átomo de carbono corresponde a 1,99 × 10-23 g e a de um átomo de oxigênio corresponde a 2,66 × 10-23 g. É inconveniente trabalhar com números tão pequenos em cálculos, por isso, foi desenvolvido um sistema de massas relativas. Estas massas relativas simplesmente comparam as massas reais dos átomos entre si. Suponha que as massas reais de duas pessoas fossem determinadas em 45,50 kg e 113,75 kg. Essas massas relativas são determinadas pela divisão de cada massa pela menor massa entre as duas: 45,50/45,50 = 1,00, e 113,75/45,50 = 2,50. Portanto, as massas relativas das duas pessoas correspondem a 1,00 e 2,50; estes números simplesmente expressam o fato de a massa da pessoa mais pesada corresponder a 2,50 vezes a da outra pessoa. As massas relativas dos átomos são chamadas de massas atômicas, ou pesos atômicos, e são fornecidas em unidades de massa atômica (uma). Neste sistema, os átomos de hidrogênio, o menos maciço entre todos os elementos, possuem um peso atômico de 1,01 uma. O peso atômico dos átomos de carbono corresponde a 12,01 uma e o dos átomos de oxigênio corresponde a 16,00 uma. Portanto, os átomos de oxigênio têm uma massa aproximadamente 16 vezes maior que a dos átomos de hidrogênio. A Tabela B-1 fornece os pesos atômicos e algumas outras características dos elementos mais importantes fisiologicamente. Características de elementos selecionados TABELA B-1 Número de prótons Número atômico Peso atômico (uma) Hidrogênio (H) 1 1 1,01 Carbono (C) 6 6 12,01 Nitrogênio (N) 7 7 14,01 Oxigênio (O) 8 8 16,00 Sódio (Na) 11 11 22,99 Magnésio (Mg) 12 12 24,31 Fósforo (P) 15 15 30,97 Enxofre (S) 16 16 32,06 Cloro (Cl) 17 17 35,45 Potássio (K) 19 19 39,10 Cálcio (Ca) 20 20 40,08 Nome e símbolo Ligações químicas Uma vez que toda matéria é composta por átomos, os átomos devem ser mantidos unidos de algum modo para formar a matéria. As forças que mantêm os átomos unidos são chamadas ligações químicas. Nem todas as ligações químicas são formadas do mesmo modo, mas todas envolvem os elétrons dos átomos. O fato de um átomo ligar-se a outro depende do número e da organização de seus elétrons. Os elétrons de um átomo estão organizados em camadas de elétrons, para as quais voltaremos agora nossa atenção. Camadas de elétrons Os elétrons tendem a se mover ao redor do núcleo em um padrão específico. As órbitas, as vias percorridas pelos elétrons em torno do núcleo, são organizadas em uma série ordenada de camadas concêntricas conhecidas como camadas eletrônicas, que consecutivamente circundam o núcleo. Cada camada de elétrons admite um número específico de elétrons. A primeira camada (mais interna e mais próxima do núcleo) pode conter apenas dois elétrons, no máximo, independente de qual seja o elemento. A segunda camada pode conter um total de oito elétrons. A terceira camada também pode conter um máximo de outros oito elétrons. À medida que o número de elétrons aumenta com o número atômico crescente, mais elétrons ainda ocupam as camadas sucessivas, cada uma a uma distância maior do núcleo. Cada camada sucessiva a partir do núcleo apresenta um maior nível de energia. Uma vez que os elétrons negativamente carregados são atraídos para os núcleos positivamente carregados, mais energia se faz necessária para que um elétron supere a atração nuclear e orbite mais longe do núcleo. Portanto, a primeira camada de elétrons possui o menor nível de energia e as camadas mais externas de um átomo possuem os maiores níveis de energia. Em geral, os elétrons alocam-se na camada de menor energia possível, até a capacidade máxima de cada camada. Por exemplo, átomos de hidrogênio possuem apenas um elétron, que, portanto, está na primeira camada. Os átomos de hélio têm dois elétrons, que estarão todos na primeira camada, preenchendo-a. Átomos de carbono possuem seis elétrons, dois na primeira camada e quatro na segunda camada, enquanto os oito elétrons do oxigênio estão organizados com dois na primeira camada e seis na segunda. Características de ligação de um átomo; valência Os átomos tendem a sofrer processos que resultam no preenchimento da camada eletrônica mais externa. Portanto, os elétrons da camada mais externa ou de mais alta energia determinam as características de ligação de um átomo e sua capacidade de interagir com outros átomos. Os átomos que possuem uma vaga na sua camada mais externa tendem a fornecer, aceitar ou compartilhar elétrons com outros átomos (o que for mais favorável do ponto de vista energético), de forma que todos os átomos participantes tenham as suas camadas externas preenchidas. Por exemplo, um átomo que possua apenas um elétron em sua camada mais externa pode esvaziar esta camada de modo que as camadas restantes fiquem completamente preenchidas. Em contraste, um átomo ao qual falte um elétron em sua camada externa pode adquirir esse elétron do primeiro átomo, a fim de preencher ao máximo Apêndice B 5 1D &O 1D &O² ÉWRPRGHVyGLR ÉWRPRGHFORUR ÌRQVyGLR ÌRQFORUHWR &ORUHWRGHVyGLR1D&O • FIGURA B-2 Íons e ligações iônicas. Os átomos de sódio (Na) e cloro (Cl) possuem camadas mais externas apenas parcialmente preenchidas. Portanto, o sódio tende a fornecer seu elétron solitário para a camada externa do cloro, com ele completando a camada externa deste. Como resultado, o sódio transforma-se em um íon positivamente carregado e o cloro transforma-se em um íon negativamente carregado, conhecido como cloreto. Os íons de cargas opostas são atraídos uns pelos outros, formando ligações iônicas. suas camadas. O número de elétrons que um átomo perde, ganha ou compartilha para obter uma camada externa preenchida é conhecido como valência do átomo. Uma ligação química é a força de atração que mantém os átomos participantes unidos em resultado da interação entre seus elétrons mais externos. Vamos considerar os átomos de sódio (Na) e os átomos de cloro (Cl) ( Figura B-2). Os átomos de sódio têm 11 elétrons: dois na primeira camada, oito na segunda camada e um na terceira camada. Os átomos de cloro possuem 17 elétrons: dois na primeira camada, oito na segunda e sete na terceira. Uma vez que oito elétrons são necessários para preencher a segunda e a terceira camadas, os átomos de sódio possuem um elétron a mais que o necessário para preencher a segunda camada, enquanto os átomos de cloro possuem um elétron a menos que o necessário para preencher a terceira camada. Cada átomo de sódio pode perder um elétron para um átomo de cloro, deixando cada sódio com dez elétrons, dos quais oito ficam na segunda camada, que agora está completamente preenchida e constitui a mais externa camada ocupada por elétrons. Ao aceitar um elétron, cada átomo de cloro agora apresenta um total de 18 elétrons, com oito deles na terceira camada, a mais externa, que agora está completa. Cl– Na+ Lembre-se de que os átomos são eletricamente neutros porque possuem um número idêntico de prótons positivamente carregados e de elétrons negativamente carregados. Ao fornecer e aceitar elétrons, os átomos de sódio e os átomos de cloro obtêm camadas externas preenchidas, mas agora cada átomo está desequilibrado eletricamente. Embora cada sódio agora possua dez elétrons, ele ainda tem 11 prótons no núcleo e uma carga elétrica liquida, ou valência, de +1. Do mesmo modo, cada cloro agora possui 18 elétrons, mas apenas 17 prótons. Portanto, cada cloro contém uma carga de –1. Estes átomos carregados são chamados de íons. Íons carregados positivamente são chamados de cátions; íons carregados negativamente são chamados de ânions. Como dica útil para memorizar estes termos, imagine que o “t” em cátion represente um sinal de “+”e o primeiro “n” em ânion signifique “negativo”. 6 Fisiologia humana Na+ Na+ Cl– Na+ Cl– Cl– Na+ Na+ Na+ Cl– Cl– Na+ Cl– Na+ Na+ Cl– Cl– Cl– Cl– · Íons; ligações iônicas Na+ Cl– Cl– Na+ Na+ Cl– • FIGURA B-3 Treliça de cristal para o cloreto de sódio (sal de mesa). Observe que tanto um cátion quanto um ânion são formados sempre que um elétron é transferido de um átomo para o outro. Uma vez que cargas opostas se atraem, o átomo de cloro carregado, agora chamado de íon cloreto (Cl–) e o íon de sódio (Na+) são atraídos um pelo outro. Esta atração elétrica que mantém cátions e ânions unidos é conhecida como ligação iônica. As ligações iônicas mantêm Na+ e Cl– juntos no composto cloreto de sódio, NaCl, o sal de mesa comum. Uma amostra de cloreto de sódio na verdade contém íons de sódio e cloreto em uma organização geométrica tridimensional chamada de treliça de cristal. Íons de carga oposta ocupam locais alternados no interior da treliça ( Figura B-3). · Ligações covalentes Não é favorável, do ponto de vista energético, que um átomo forneça ou aceite mais de três elétrons. Todavia, os átomos de carbono, que possuem quatro elétrons em sua camada externa, )yUPXODPROHFXODU + + D0ROpFXODGHKLGURJrQLR+ 2 )yUPXODHVWUXWXUDO FRPOLJDomRFRYDOHQWH (VWUXWXUDDW{PLFD + + 2 2 + 2 2 2 + /LJDomR FRYDOHQWH 2 E0ROpFXODGHR[LJrQLR2 + 2 /LJDomR FRYDOHQWH + + Cada elétron compartilhado por dois átomos é contado em relação ao número de elétrons necessários para se preencher a camada externa de cada átomo. Portanto, cada átomo de carbono compartilha quatro pares, ou oito elétrons, e, sendo assim, possui oito em sua camada externa. Cada hidrogênio compartilha um par, ou dois elétrons, e, portanto, apresenta uma camada externa preenchida (lembre-se de que os átomos de hidrogênio precisam apenas de dois elétrons para completar sua camada externa, a primeira). O compartilhamento de um par de elétrons por átomos os liga por meio de uma ligação covalente ( Figura B-4). As ligações covalentes são as mais fortes das ligações químicas; ou seja, são as mais difíceis de romper. Ligações covalentes também são formadas entre alguns átomos idênticos. Por exemplo, dois átomos de hidrogênio podem completar suas camadas externas pelo compartilhamento de um par de elétrons formado a partir de um único elétron de cada átomo, como mostra a Equação B-2: · H→H H H Eq. B-2 Portanto, o gás hidrogênio consiste em moléculas individuais de H2 ( Figu/LJDomR ra B-4a). (Uma subscrição após o símbolo FRYDOHQWH químico indica o número de átomos daquele tipo que está presente na molécula.) + Vários outros elementos não metálicos também existem como moléculas, porque ligações covalentes se formam entre seus F0ROpFXODGHiJXD+2 átomos idênticos; o oxigênio (O2) é um exemplo ( Figura B-4b). • FIGURA B-4 Ligação covalente. Uma ligação covalente é formada quando dois átomos que Frequentemente, um átomo pode compartilham um par de elétrons são atraídos pelo par compartilhado. formar ligações covalentes com mais de um átomo. Um dos exemplos mais familiares é a água (H2O), formam compostos. Isto ocorre por outro mecanismo de ligação, que consiste em dois átomos de hidrogênio cada, formando a ligação covalente. Átomos que perderiam ou ganhariam quatro uma única ligação covalente com um átomo de oxigênio ( Fiou mais elétrons para obter a estabilidade da camada externa gura B-4c). A equação B-3 representa a formação das ligações em geral se ligam por compartilhamento de elétrons. Os elétrons covalentes da água: compartilhados na verdade orbitam ao redor dos dois átomos. Portanto, um átomo de carbono pode compartilhar seus quatro H elétrons externos com os quatro elétrons de quatro átomos de Eq. B-3 O →HO hidrogênio, como mostrado na Equação B-1, na qual os elétrons H H do camada externa são apresentados como pontos em volta do A molécula de água é algumas vezes representada como símbolo de cada átomo. (O composto resultante é o metano, CH4, um gás composto H O por moléculas individuais de CH4.) · · · Pares compartilhados de elétrons C H � 4H HC H Eq. B-1 H Pares compartilhados de elétrons H em que os pares de elétrons não compartilhados não são mostrados e as ligações covalentes, ou pares compartilhados, são representadas por linhas. Apêndice B 7 /LJDomRFRYDOHQWH SRODU &DUJDGLVFUHWDPHQWH QHJDWLYD 2 + + 2 + • FIGURA B-5 Molécula polar. A molécula de água é um exemplo de molécula polar, na qual a distribuição dos elétrons compartilhados não é uniforme. Uma vez que os átomos de oxigênio puxam os elétrons compartilhados mais intensamente que os átomos de hidrogênio, o lado de oxigênio da molécula tem uma carga discretamente negativa e os lados de hidrogênio têm uma carga discretamente positiva. Moléculas polares e apolares Os elétrons nos dois átomos de uma ligação covalente nem sempre são igualmente compartilhados. Quando os átomos que compartilham um par de elétrons são idênticos, como os dois átomos de oxigênio, os elétrons são atraídos da mesma forma pelos dois átomos e, por isso, são compartilhados igualmente. O resultado é uma molécula apolar. O termo apolar implica que não há diferença nas duas extremidades (dois “polos”) da ligação. Uma vez que os dois átomos na molécula exercem a mesma atração sobre os elétrons compartilhados, cada um desses elétrons passa a mesma quantidade de tempo em órbita em torno de cada átomo. Portanto, em uma molécula apolar como O2, os dois átomos permanecem eletricamente neutros. Quando os átomos compartilhados não são idênticos, o compartilhamento desigual de elétrons ocorre porque os átomos de diferentes elementos não exercem a mesma atração dos elétrons compartilhados. Por exemplo, um átomo de oxigênio atrai fortemente elétrons quando está ligado a outros átomos. Uma molécula polar resulta do compartilhamento desigual de elétrons entre diferentes tipos de átomos ligados de modo covalente. A molécula de água é um bom exemplo de molécula polar. O átomo de oxigênio puxa os elétrons compartilhados com mais força que os átomos de hidrogênio em cada uma das duas ligações covalentes. Consequentemente, o elétron de cada átomo de hidrogênio tende a passar mais tempo “longe”, orbitando em torno do átomo de oxigênio, que “em casa”, ao redor do átomo de hidrogênio. Devido a esta distribuição não uniforme de elétrons, o lado de oxigênio da molécula de água, no qual os elétrons compartilhados passam a maior parte do tempo, é ligeiramente negativo e os dois hidrogênios visitados com menos frequência pelos elétrons são ligeiramente mais positivos ( Figura B-5). Observe que toda a molécula de água tem o mesmo número de elétrons e de prótons e, portanto, como um todo, não possui carga líquida. Isto é diferente dos íons, que possuem um excesso ou um déficit de elétrons. Uma molécula polar tem um número equilibrado de prótons e elétrons, porém uma distribuição desigual dos elétrons compartilhados entre os átomos que a constituem. · Pontes de hidrogênio Moléculas polares são atraídas para outras moléculas polares. Na água, por exemplo, existe uma atração entre as extremidades positivas do hidrogênio de algumas moléculas e as extremidades negativas de oxigênio de outras. O hidrogênio não faz parte Fisiologia humana + + + + + + + 2 2 2 &DUJDGLVFUHWDPHQWHSRVLWLYD 8 2 + $VOLQKDV SRQWLOKDGDV UHSUHVHQWDP DVSRQWHVGH KLGURJrQLR + • FIGURA B-6 Ponte de hidrogênio. Uma ponte de hidrogênio é formada pela atração da extremidade de hidrogênio positivamente carregada de uma molécula polar para a extremidade negativamente carregada de outra molécula polar. de todas as moléculas polares, mas quando está ligado de modo covalente a um átomo que atrai fortemente os elétrons para formar uma molécula covalente, a atração da extremidade positiva (hidrogênio) da molécula polar para a extremidade negativa de outra molécula polar é chamada de ponte de hidrogênio ( Figura B-6). Portanto, as atrações polares entre si das moléculas de água constituem um exemplo de ponte de hidrogênio. · Reações Químicas Os processos através dos quais as ligações químicas são quebradas e/ou formadas são chamados de reações químicas. Essas reações são representadas por escrito em equações nas quais as substâncias que reagem (reagentes) são tipicamente colocadas à esquerda, as substâncias recém-produzidas (produtos) colocadas à direita e uma seta, significando “produz”, aponta dos reagentes para os produtos. Estas convenções estão ilustradas na Equação B-4: A+B→C+D Reagentes Produtos Eq. B-4 Equações de equilíbrio A equação química é um “livro de registro químico”, que descreve o que acontece em uma reação. Pela lei da conservação das massas, a massa total de todos os materiais que entram em uma reação é igual à massa total de todos os produtos. Portanto, o número total de átomos de cada elemento deve ser sempre o mesmo dos lados esquerdo e direito da equação, porque nenhum átomo é perdido. Estas equações em que o mesmo número de átomos de cada tipo aparece nos dois lados são chamadas de equações de equilíbrio. Ao redigir uma equação de equilíbrio, o número que precede um símbolo químico designa o número de átomos, íons ou moléculas independentes (não compartilhados) daquele tipo, enquanto o número subscrito após um símbolo químico indica a quantidade daquele átomo em particular na molécula. A ausência de um número indica um único átomo daquela substância química. Vamos observar um exemplo específico, a oxidação da glicose (o açúcar que as células utilizam como combustível), apresentada na Equação B-5: C6H12O6 + 6 O2→ 6 CO2 + 6 H2O glicose oxigênio dióxido de carbono água Eq. B-5 De acordo com esta equação, uma molécula de glicose reage com seis moléculas de oxigênio para produzir seis moléculas de dióxido de carbono e seis moléculas de água. Observe o seguinte equilíbrio nesta reação: ■■ seis átomos de carbono à esquerda (em uma molécula de glicose) e seis átomos de carbono à direita (em seis moléculas de dióxido de carbono) ■■ 12 átomos de hidrogênio à esquerda (em uma molécula de glicose) e 12 à direita (em seis moléculas de água, cada uma contendo dois átomos de hidrogênio) ■■ 18 átomos de oxigênio à esquerda (seis em uma molécula de glicose mais 12 nas seis moléculas de oxigênio) e 18 à direita (12 nas seis moléculas de dióxido de carbono, cada uma contendo dois átomos de oxigênio, e mais seis nas seis moléculas de água, cada uma contendo um átomo de oxigênio). Reações reversíveis e irreversíveis Em condições adequadas, os produtos de uma reação podem ser convertidos novamente em seus reagentes. Por exemplo, o gás dióxido de carbono dissolve-se e reage com a água para formar o ácido carbônico, H2CO3: CO2 + H2O → H2CO3 Eq. B-6 O ácido carbônico, porém, não é muito estável e, logo que é formado, parte dele se decompõe para formar dióxido de carbono e água: H2CO3 → CO2 + H2O Eq. B-7 As reações que seguem nas duas direções são chamadas reações reversíveis. Elas são geralmente representadas por setas duplas apontando nas duas direções: CO2 + H2O H2CO3 Eq. B-8 Teoricamente, toda reação é reversível. Porém, muitas vezes, as condições são tais que uma reação, para fins práticos, ocorre em apenas uma direção; uma reação deste tipo é chamada de irreversível. Por exemplo, uma reação irreversível ocorre quando há uma explosão, porque os produtos não permanecem nas cercanias do local de reação para se unirem e reagirem mais uma vez. Catalisadores; enzimas As taxas (velocidades) das reações químicas são influenciadas por vários fatores, dos quais os catalisadores estão entre os mais importantes. Um catalisador é uma molécula “auxiliar” que acelera uma reação sem ser consumida nela. Organismos vivos utilizam os catalisadores conhecidos como enzimas. As enzimas exercem uma influência impressionante na velocidade das reações químicas que ocorrem nos organismos. Reações que demorariam semanas ou mesmo meses para ocorrer em condições laboratoriais normais ocorrem em segundos sob a influência das enzimas do organismo. Uma das enzimas de ação mais rápida é a anidrase carbônica, que catalisa a reação entre dióxido de carbono e água para formar o ácido carbônico. Esta reação é importante no transporte de dióxido de carbono das células do tecido, onde ele é produzido metabolicamente, para os pulmões, por onde é excretado. A equação para a reação foi mostrada na Equação B-6 (a anidrase carbônica catalisa indiretamente esta reação, convertendo CO2 + H2O diretamente em HCO3–, que pode formar H2CO3, mas a prática comum consiste em representar o resultado combinado destas reações na forma resumida apresentada na Equação B-6; veja p. 571 do livro para detalhes específicos). Cada molécula de anidrase carbônica catalisa a conversão de 36 milhões de moléculas de CO2 por minuto! Enzimas são importantes em praticamente todas as reações químicas que ocorrem nos organismos vivos. Peso molecular e de fórmula e mol Uma vez que as moléculas são compostas por átomos, a massa relativa de uma molécula corresponde simplesmente à soma das massas relativas (pesos atômicos) dos átomos encontrados nessa molécula. As massas relativas das moléculas são chamadas de massas moleculares ou pesos moleculares. O peso molecular da água, H2O, portanto, é a soma dos pesos atômicos de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio, ou 1,01 uma + 1,01 uma + 16,00 uma = 18,02 uma. Nem todos os compostos existem na forma de moléculas. Substâncias ligadas ionicamente, como o cloreto de sódio, consistem em organizações tridimensionais dos íons sódio (Na+) e íons cloreto (Cl–) em uma proporção de 1 para 1. As fórmulas dos compostos iônicos refletem apenas a proporção de íons no composto e não devem ser interpretadas em termos de moléculas. Portanto, a fórmula para o cloreto de sódio, NaCl, indica que os íons se combinam em uma proporção de 1 para 1. É conveniente aplicar o conceito de massas relativas aos compostos iônicos, embora eles não existam como moléculas. O peso de fórmula para estes compostos é definido pela soma dos pesos atômicos dos átomos encontrados na fórmula. Portanto, o peso da fórmula de NaCl é igual à soma dos pesos atômicos de um átomo de sódio e de um átomo de cloro, ou 22,99 uma + 35,45 uma = 58,44 uma. Como visto anteriormente, as reações químicas podem ser representadas por equações e discutidas em termos de números de moléculas, átomos e íons que reagem entre si. Para efetuar estas reações em laboratório, porém, um cientista não pode contar os números das partículas reagentes; em vez disso, deve ser capaz de pesar a quantidade correta de cada reagente. O uso do conceito de mol torna esta tarefa possível. Um mole (abreviado mol) de um elemento ou composto puro é a quantidade de material contida em uma amostra da substância pura que possui massa em gramas igual ao peso atômico da substância (para elementos) ou ao peso molecular ou ao peso da fórmula (para compostos). Portanto, um mol de potássio, K, corresponderia a uma amostra do elemento com uma massa de 39,10 g. Do mesmo modo, um mol de H2O teria uma massa de 18,02 g e um mol de NaCl consistiria em uma amostra com massa de 58,44 g. O fato de que pesos atômicos, pesos moleculares e pesos de fórmula são massas relativas leva a uma característica fundamental dos moles. Um mol de átomos de oxigênio tem massa de 16,00 g e um mol de átomos de hidrogênio tem massa de 1,01 g. Portanto, a razão das massas de um mol de cada elemento corresponde a 16,00/1,01, a mesma proporção dos pesos atômicos Apêndice B 9 para os dois elementos. Lembre-se de que estes pesos atômicos comparam massas relativas de oxigênio e hidrogênio. Coerentemente, o número de átomos de oxigênio contido em 16 gramas de oxigênio (1 mol de oxigênio) é o mesmo que o número de átomos de hidrogênio em 1,01 gramas de hidrogênio. Portanto, um mol de oxigênio contém exatamente o mesmo número de átomos de oxigênio que o número de átomos de hidrogênio em um mol de hidrogênio. Desse modo, é possível e algumas vezes útil pensar em um mol como um número específico de partículas. Este número, chamado número de Avogadro, é igual a 6,02 × 1023. Soluções, coloides e suspensões Em contraste a um composto, uma mistura consiste em dois ou mais tipos de elementos ou moléculas fisicamente combinadas (misturadas), em vez de estarem unidas por ligações químicas. Um composto apresenta propriedades muito diferentes dos elementos individuais a partir dos quais é formado. Por exemplo, os cristais sólidos e brancos do NaCl (sal de mesa) usado para temperar alimentos é muito diferente do sódio (um metal branco prateado) ou do cloro (um gás amarelo-esverdeado venenoso encontrado nos alvejantes). Comparativamente, cada componente de uma mistura mantém suas próprias propriedades químicas. Se você misturar sal e açúcar, cada um reterá seu próprio sabor distinto e outras de suas propriedades individuais. Os integrantes de um composto podem apenas ser separados por meios químicos – a quebra da ligação. Em contraste, os componentes de uma mistura podem ser separados por meios físicos, como filtração ou evaporação. As misturas mais comuns no corpo são misturas de água e várias outras substâncias. Estas misturas são classificadas como soluções, coloides ou suspensões, dependendo do tamanho e da natureza da substância misturada com a água. Soluções A maioria das reações químicas no corpo ocorre entre reagentes que se dissolveram para formar soluções. Soluções são misturas homogêneas contendo uma quantidade relativamente grande de uma substância chamada de solvente (um meio de dissolução) e quantidades menores de uma ou mais substâncias chamadas de solutos (as partículas dissolvidas). Água salgada, por exemplo, contém principalmente água, que, consequentemente, é o solvente, e uma quantidade menor de sal, que é o soluto. A água é o solvente na maioria das soluções encontradas no corpo humano. Eletrólitos; não eletrólitos Quando solutos iônicos são dissolvidos na água para formar soluções, a solução resultante conduzirá eletricidade. Isto não ocorre com a maioria dos solutos de ligação covalente. Por exemplo, uma solução de sal e água conduz eletricidade, mas não uma solução de açúcar e água. Quando o sal é dissolvido na água, a treliça sólida de Na+ e Cl– é decomposta e os íons individuais são separados e distribuídos uniformemente por toda a solução. Estes íons móveis e carregados conduzem eletricidade pela solução. Solutos que formam íons em solução e conduzem eletricidade são chamados de eletrólitos. Algumas moléculas covalentes muito polares também se comportam deste modo. Contudo, quando o açúcar se dissolve, as moléculas de açúcar individuais ligadas de 10 Fisiologia humana modo covalente deixam o sólido e se distribuem uniformemente por toda a solução. Estas moléculas não carregadas não conseguem conduzir uma corrente. Solutos que não formam soluções condutoras são chamados de não eletrólitos. Medidas de concentração A quantidade de soluto dissolvida em uma quantidade específica de solução pode variar. Por exemplo, uma solução sal-água pode conter 1 g de sal em 100 ml de solução ou pode conter 10 g de sal em 100 ml de solução. As duas soluções constituem soluções sal-água, mas possuem diferentes concentrações de soluto. A concentração de uma solução indica a relação entre a quantidade de soluto e a quantidade de solução. Concentrações podem ser fornecidas por várias unidades diferentes. MOLARIDADE Concentrações fornecidas em termos de molaridade (M) indicam o número de moles de soluto em exatamente um litro de solução. Portanto, uma solução meio molar (0,5 M) de NaCl conteria meio mol, ou 29,22 g, de NaCl em cada litro de solução. NORMALIDADE Quando o soluto é um eletrólito, às vezes é útil determinar a concentração dessa solução em uma unidade que forneça informações sobre a quantidade de carga iônica na solução. Isto é efetuado pela expressão da concentração em termos de normalidade (N). A normalidade de uma solução fornece o número de equivalentes do soluto em exatamente um litro de solução. Um equivalente de um eletrólito é a quantidade que produz 1 mol de cargas positivas (ou negativas) quando é dissolvido. O número de equivalentes de um eletrólito pode ser calculado multiplicando-se o número de moles do eletrólito pelo número total de cargas positivas produzidas quando uma unidade de fórmula do eletrólito é dissolvida. Considere como exemplos o NaCl e o cloreto de cálcio (CaCl2). As reações de ionização para uma unidade de fórmula de cada soluto são: NaCl → Na+ + Cl– Eq. B-9 CaCl2 → Ca2+ + 2 Cl– Eq. B-10 Portanto, 1 mol de NaCl produz 1 mol de cargas positivas (Na+) e, consequentemente, contém 1 equivalente: (1 mol NaCl)(1) = 1 equivalente em que o número 1 utilizado para multiplicar 1 mol de NaCl origina-se da carga +1 do Na+. Um mol de CaCl2 produz 1 mol de Ca2+, que corresponde a 2 moles de carga positiva. Portanto, 1 mol de CaCl2 contém 2 equivalentes: (1 mol CaCl2)(2) = 2 equivalentes em que o número 2 usado na multiplicação origina-se da carga +2 do Ca2+. Se forem preparadas duas soluções, de modo que uma contenha 1 mol de NaCl por litro e a outra contenha 1 mol de CaCl2 por litro, a solução de NaCl conteria 1 equivalente de soluto por litro e seria 1 normal (1 N). A solução de CaCl2 conteria 2 equivalentes de soluto por litro e seria 2 normal (2 N). OSMOLARIDADE Outra expressão da concentração frequentemente usada em fisiologia é a osmolaridade (osm), que indica o número total de partículas do soluto em um litro de solução em vez dos pesos relativos dos solutos específicos. A osmolaridade de uma solução é o produto de M e n, em que n é o número de moles de partículas de soluto obtido quando 1 mol de soluto é dissolvido. Uma vez que não eletrólitos como a glicose não se dissociam em solução, n = 1 e a osmolaridade (n vezes M) é igual à molaridade da solução. Para soluções de eletrólitos, a osmolaridade excede a molaridade em um fator igual ao número de íons produzidos na dissociação de cada molécula em solução. Por exemplo, uma vez que uma molécula de NaCl se dissocia em dois íons, Na+ e Cl–, a osmolaridade de uma solução a 1 M de NaCl corresponde a 2 × 1 M = 2 osm. Coloides e suspensões Em soluções, partículas de soluto constituem íons ou moléculas pequenas. Em contraste, as partículas em coloides e suspensões são muito maiores que íons ou moléculas pequenas. Em coloides e suspensões, estas partículas são conhecidas como partículas em fase dispersa em vez de solutos. Quando as partículas em fase dispersa medem, no máximo, aproximadamente cem vezes o tamanho das maiores partículas de soluto encontradas em uma solução, a mistura é chamada de coloide. As partículas em fase dispersa de coloides geralmente não se depositam. Todas as partículas em fase dispersa de coloides possuem cargas elétricas de mesmo sinal. Portanto, elas repelem umas as outras. Os golpes constantes destas colisões impedem que as partículas se depositem. Os coloides mais abundantes no organismo são pequenas proteínas funcionais que ficam dispersas nos fluidos corporais. Um exemplo é a dispersão coloidal das proteínas plasmáticas no sangue (veja p. 392 do livro). Quando as partículas em fase dispersa são maiores que as dos coloides, se a mistura for deixada sem perturbação, as partículas se depositarão devido à força da gravidade. Estas misturas são geralmente chamadas de suspensões. O principal exemplo de uma suspensão no corpo é a mistura de células sanguíneas suspensas no plasma. O movimento constante do sangue enquanto circula pelos vasos sanguíneos mantém as células sanguíneas dispersas de modo razoavelmente homogêneo no plasma. Contudo, se uma amostra de sangue for colocada em um tubo de ensaio e tratada para prevenir a coagulação, as células sanguíneas mais pesadas gradualmente se depositarão no fundo do tubo. Produtos químicos inorgânicos e orgânicos Os produtos químicos são classificados em duas categorias: inorgânicos e orgânicos. Distinção entre produtos químicos inorgânicos e orgânicos O critério original usado para esta classificação foi a origem dos produtos químicos. Os compostos originados de fontes vivas ou que já viveram eram orgânicos e os originados de outras fontes eram inorgânicos. Hoje em dia, a base para a classificação é o elemento carbono. Produtos químicos orgânicos são em geral aqueles que contêm carbono. Todos os demais são classificados como inorgânicos. Alguns produtos químicos contendo carbono são também classificados como inorgânicos; os mais comuns são o car- bono puro na forma de diamante e o grafite, o dióxido de carbono (CO2), o monóxido de carbono (CO), os carbonatos como o calcário (CaCO3) e os bicarbonatos como a soda cáustica (NaHCO3). A capacidade única dos átomos de carbono de ligarem-se entre si formando redes de átomos carbônicos resulta em um fato interessante. Embora todos os produtos químicos orgânicos contenham carbono, milhões destes compostos já foram identificados. Alguns foram isolados de fontes naturais de origem vegetal ou animal e muitos foram sintetizados em laboratório. Os produtos químicos inorgânicos incluem todos os demais 108 elementos e seus compostos. O número de produtos químicos inorgânicos conhecidos, compostos de todos estes outros elementos, é estimado em aproximadamente 250.000, em comparação aos milhões de compostos orgânicos constituídos predominantemente por carbono. Monômeros e polímeros Outro resultado da capacidade do carbono de ligar-se a si próprio são as grandes dimensões de algumas moléculas orgânicas. As moléculas orgânicas variam em tamanho, do metano, CH4, uma molécula pequena e simples com um único átomo de carbono, até moléculas como o DNA, que contêm até milhões de átomos de carbono. Moléculas orgânicas essenciais para a vida são chamadas de moléculas biológicas, ou biomoléculas. Algumas biomoléculas são compostos orgânicos relativamente pequenos, incluindo açúcares simples, ácidos graxos, aminoácidos e nucleotídeos. Estas pequenas e isoladas unidades, conhecidas como monômeros (indicando “unidade simples”), são blocos de construção para a síntese de biomoléculas maiores, incluindo carboidratos complexos, lipídios, proteínas e ácidos nucleicos, respectivamente. Estas moléculas orgânicas maiores são chamadas de polímeros (significando “muitas unidades”), refletindo o fato de que são compostas pela ligação de vários monômeros menores. Por exemplo, o amido é formado pela ligação de muitas moléculas de glicose. Polímeros orgânicos muito grandes são frequentemente conhecidos como macromoléculas, refletindo seu grande tamanho (macro significa “grande”). As macromoléculas incluem muitas moléculas de ocorrência natural, como DNA e proteínas estruturais, assim como muitas moléculas produzidas sinteticamente, como produtos têxteis sintéticos (por exemplo, o nylon) e plásticos. Ácidos, bases e sais Ácidos, bases e sais podem ser compostos inorgânicos ou orgânicos. Ácidos e bases Os ácidos e bases são opostos químicos, e os sais são produzidos quando ácidos e bases reagem entre si. Em 1887, o químico sueco Svante Arrhenius propôs uma teoria definindo ácidos e bases. Ele postulou que ácido é qualquer substância que se dissociará, ou se decomporá, quando dissolvida em água e, no processo, liberará um íon de hidrogênio, H+. Similarmente, as bases são substâncias que se dissociam quando dissolvidas em água e no processo liberam um íon hidroxila, OH−. O cloreto de hidrogênio (HCl) e o hidróxido de sódio (NaOH) são exemplos de ácidos e bases de Arrhenius; suas dissociações em água são representadas nas Equações B-11 e B-12, respectivamente: Apêndice B 11 HCl → H+ + Cl– Eq. B-11 Grupos funcionais de moléculas orgânicas NaOH → Na+ + OH– Eq. B-12 Moléculas orgânicas consistem em carbono e um ou mais elementos adicionais ligados de modo covalente entre si, como em um brinquedo de montar. As moléculas orgânicas mais simples, os hidrocarbonetos, como o metano e derivados de petróleo, possuem apenas átomos de hidrogênio fixados a estruturas de carbono de comprimentos variáveis. Todas as biomoléculas têm sempre elementos adicionais, além do hidrogênio, acrescentados à estrutura carbônica. As estruturas de carbono formam a porção estável da maior parte das biomoléculas. Outros átomos ligados de modo covalente à estrutura de carbono, seja isoladamente ou em grupos, formam os chamados grupos funcionais. Todos os compostos orgânicos podem ser classificados de acordo com o grupo ou grupos funcionais que contenham. Os grupos funcionais são combinações específicas de átomos que geralmente reagem do mesmo modo, independente do número de átomos de carbono na molécula à qual estão fixados. Por exemplo, todos os aldeídos contêm um grupo funcional que inclui um átomo de hidrogênio, um átomo de carbono e um átomo de oxigênio, ligados covalentemente de um modo específico: Observe que o íon hidrogênio é um próton nu, o núcleo de um átomo de hidrogênio. Observe também que tanto o HCl como o NaOH se comportariam como eletrólitos. Arrhenius não sabia que íons de hidrogênio livres não podem existir na água. Eles se ligam de modo covalente a moléculas de água para formar íons hidrônio, como mostra a Equação B-13: H O H→ H H O H H Eq. B-13 Em 1923, Johannes Brønsted, na Dinamarca, e Thomas Lowry, na Inglaterra, propuseram uma teoria de ácido-base que levou em conta este comportamento. Eles definiram ácido como qualquer substância contendo hidrogênio que doe um próton (íon hidrogênio) a outras substâncias (um ácido seria um doador de prótons) e base como qualquer substância que aceite um próton (uma base seria um aceitador de prótons). De acordo com estas definições, o comportamento ácido do HCl fornecido na Equação B-11 seria novamente redigido como mostra a Equação B-14: HCl + H2O H3O+ + Cl– Eq. B-14 Observe que esta reação é reversível e o íon hidrônio é representado como H3O+. Na Equação B-14, o HCl age como um ácido na reação anterógrada (esquerda para a direita), enquanto a água atua como uma base. Na reação inversa (da direita para a esquerda), o íon hidrônio fornece um próton e, portanto, é um ácido, enquanto o íon cloreto, Cl–, aceita o próton e, portanto, é uma base. É uma prática comum utilizar equações como B-11 para simplificar a representação da dissociação de um ácido, embora os cientistas reconheçam que equações como B-14 sejam mais corretas. Sais; reações neutralizantes À temperatura ambiente, sais inorgânicos são sólidos cristalinos que contêm o íon positivo (cátion) de uma base de Arrhenius como NaOH e o íon negativo (ânion) de um ácido como HCl. Os sais podem ser produzidos pela mistura de soluções de ácidos e bases apropriados, permitindo a ocorrência de uma reação de neutralização. Nas reações de neutralização, o ácido e a base reagem para formar um sal e água. A maioria dos sais formados é solúvel em água e pode ser recuperada pela evaporação da água. A Equação B-15 é uma reação de neutralização: HCl + NaOH → NaCl + H2O Eq. B-15 Quando ácidos ou bases são usados como solutos em soluções, as concentrações podem ser expressas como normalidades, como feito anteriormente com os sais. Um equivalente de ácido é a quantidade que fornece 1 mol de H+ na solução. Portanto, 1 mol de HCl também é 1 equivalente, mas 1 mol de H2SO4 corresponde a 2 equivalentes. Bases são descritas de um modo semelhante, mas um equivalente é a quantidade de base que fornece 1 mol de OH–. Veja o Capítulo 15 para uma discussão do equilíbrio ácido-básico no organismo. 12 Fisiologia humana O ( C H) O átomo de carbono de um grupo aldeído forma uma única ligação covalente com o átomo de hidrogênio e uma ligação dupla (uma ligação na qual duas ligações covalentes são formadas entre os mesmos átomos, designada por uma linha dupla entre os átomos) com o átomo de oxigênio. O grupo aldeído é fixado ao restante da molécula por uma ligação simples covalente que se estende à esquerda do átomo de carbono. A maioria das reações de aldeído é igual, independente do tamanho e da natureza do restante da molécula à qual o grupo de aldeído estiver fixado. Reações de importância fisiológica, muitas vezes, ocorrem entre dois grupos funcionais ou entre um grupo funcional e uma molécula pequena como a água. Carboidratos Os carboidratos são compostos orgânicos de extrema importância biológica e comercial. São amplamente distribuídos na natureza e incluem substâncias familiares, como amido, açúcar de mesa e celulose. Os carboidratos possuem cinco funções importantes nos organismos vivos: fornecem energia, servem como forma de armazenamento da energia química, fornecem fibras dietéticas, suprem átomos de carbono para a síntese de componentes celulares e fazem parte dos elementos estruturais das células. Composição química dos carboidratos Os carboidratos contêm carbono, hidrogênio e oxigênio. Receberam este nome porque a maior parte deles contém estes três elementos em uma proporção atômica de um carbono para dois hidrogênios e um oxigênio. Esta proporção sugere que a fórmula geral corresponderia a CH2O e que os compostos seriam simplesmente hidratos de carbono (carbonos “hidratados”) ou carboidratos. Atualmente, sabe-se que não são hidratos de carbono, mas o nome permaneceu. Todos os carboidratos têm um grande número de grupos funcionais por molécula. Os grupos funcionais mais comuns nos carboidratos são álcool, cetona e aldeído – + 2 & + & 2+ +2 & + + & 2+ + & 2+ &+2+ + & +2 &+2+ & 2 + 2+ + & & + 2+ + & 2+ D)RUPDGHFDGHLDGDJOLFRVH E)RUPDHPDQHOGDJOLFRVH • FIGURA B-8 Representação simplificada do glicogênio. Cada círculo representa uma molécula de glicose. • FIGURA B-7 Formas da glicose. O ( OH), ( Álcool C ■■ O ), ( Cetona C H) Aldeído – ou grupos funcionais formados por reações entre pares destes três. Tipos de carboidratos Os carboidratos mais básicos são os açúcares simples, também chamados de monossacarídeos. Como o nome indica, consistem em unidades únicas do açúcar simples denominado sacarídeo (mono significando “um”). A estrutura molecular da glicose, Figura um importante monossacarídeo, é apresentada na B-7a. Em solução, a maioria das moléculas de glicose assume a forma de anel como na Figura B-7b. Outros monossacarídeos comuns são a frutose, a galactose e a ribose. Dissacarídeos são açúcares formados pela ligação de duas moléculas de monossacarídeo por uma ligação covalente (di significa “dois”). Alguns exemplos comuns de dissacarídeos são a sacarose (o açúcar comum de mesa) e a lactose (o açúcar do leite). Moléculas de sacarose são formadas a partir de uma molécula de glicose e uma de frutose. Cada molécula de lactose contém uma unidade de glicose e uma de galactose. Devido aos diversos grupos funcionais nas moléculas de carboidratos, grandes números de moléculas de carboidratos simples são capazes de se ligar e formar grandes cadeias e redes ramificadas. As substâncias resultantes, os polissacarídeos, contêm muitas unidades de sacarídeos (poli significa “muitos”). Três polissacarídeos comuns, compostos totalmente por unidades de glicose, são o glicogênio, o amido e a celulose. · · ■■ O glicogênio é o carboidrato de armazenamento encontrado nos animais. É um polissacarídeo altamente ramificado que se ramifica em média a cada oito a 12 unidades de glicose. A estrutura do glicogênio é representada na Figura B-8, na qual cada círculo representa uma unidade de glicose. ■■ · O amido, um carboidrato de armazenamento dos vegetais, consiste em duas frações, amilose e amilopectina. A amilose consiste em cadeias longas e essencialmente não ramificadas de unidades de glicose. A amilopectina é uma rede altamente ramificada de unidades de glicose contendo em média 24 a 30 unidades de glicose por ramo. Portanto, sua ramificação é menor que a do glicogênio. A celulose, um carboidrato estrutural das plantas, existe na forma de cadeias longas e não ramificadas de unidades de glicose. A ligação entre as unidades de glicose da celulose é ligeiramente diferente da ligação entre as unidades de glicose do glicogênio e do amido. Humanos possuem enzimas digestórias que catalisam a decomposição (hidrólise) das ligações entre as glicoses no amido, mas não possuem as enzimas necessárias para hidrolisar as ligações entre glicose na celulose. Portanto, o amido é um alimento para humanos, mas a celulose não. A celulose é a fibra não digerível da dieta. Lipídios Os lipídios constituem um grupo diverso de moléculas orgânicas compostas por substâncias com composições e estruturas moleculares muito diferentes. Ao contrário dos carboidratos, classificados com base em sua estrutura molecular, as substâncias são classificadas como lipídios com base em sua solubilidade. Os lipídios são insolúveis em água, mas solúveis em solventes apolares como o álcool. Os lipídios são os compostos céreos, graxos ou oleosos encontrados nas plantas e animais. Os lipídios repelem água, uma característica útil dos revestimentos céreos protetores encontrados em algumas plantas. Gorduras e óleos são ricos em energia e apresentam densidades relativamente baixas. Estas propriedades explicam o uso de gorduras e óleos como energia armazenada em plantas e animais. Outros lipídios ainda ocorrem como componentes estruturais, especialmente em membranas celulares. A membrana plasmática oleosa que circunda cada célula serve como uma barreira que separa o conteúdo intracelular do liquido extracelular ao redor. Lipídios simples Os lipídios simples contêm apenas dois tipos de componentes, ácidos graxos e álcoois. As moléculas de ácido graxo consistem em uma cadeia de hidrocarbonetos com um grupo funcional carboxila (—COOH) na terminação. A cadeia de hidrocarboneto pode ter comprimento variável, porém os ácidos graxos naturais contêm sempre um número par de átomos de carbono. A cadeia de hidrocarbonetos também pode conter uma ou mais duplas ligações entre os átomos de carbono. Os ácidos graxos sem duplas ligações são chamados de ácidos graxos saturados, enquanto aqueles com duplas ligações são chamados de ácidos graxos in- Apêndice B 13 2 saturados. Quanto mais duplas ligações 2 estiverem presentes, maior o grau de in+2 & &+&+ &+&+ &+ 2 & &+&+&+ saturação. Os ácidos graxos saturados 2 predominam em produtos dietéticos de &+ 2+ ÉFLGRJUD[R VDWXUDGR origem animal (por exemplo, carne, &+&+ &+ 2 & &+ 2+ ovos e laticínios), enquanto os ácidos 2 graxos insaturados são mais prevalen- &+ 2+ tes em produtos vegetais (por exemplo, &+&+ &+ 2 & 2 *OLFHURO grãos, vegetais e frutas). O consumo de uma maior proporção de ácidos graxos +2 & &+&+ &+&+&+ 7ULJOLFpULGH saturados que insaturados está relacioÉFLGRJUD[R nado a uma maior incidência de doença LQVDWXUDGR cardiovascular (veja p. 337). O álcool mais comum encontrado • FIGURA B-9 Componentes e estrutura dos triglicérides. nos lipídios simples é o glicerol (glicerina), um álcool de três carbonos que ( ( possui três grupos hidroxila (–OH). ÉFLGRJUD[R * V V O I I Lipídios simples, como gorduras e L L L óleos, são formados pela reação entre o F Q Q ÉFLGRJUD[R H ÉFLGRJUD[R ÉFLGRJUD[R J J grupo carboxila de três ácidos graxos e U R R os três grupos hidroxila de glicerol. R V V O )RVIDWR L L O lipídio resultante é uma molécula &DUERLGUDWR )RVIDWR Q Q em forma de E chamada de triglicéride. D D ÉOFRRO Estes lipídios são classificados como ÉOFRRO gorduras ou óleos com base em seus pontos de fusão. As gorduras são sóliD)RVIRJOLFpULGH E(VILQJROLStGLR F*OLFROLStGLR das à temperatura ambiente, enquanto os óleos são líquidos. Seus pontos de fu- • FIGURA B-10 Exemplos de lipídios complexos. Nas partes (b) e (c), esfingosina é um álcool são dependem do grau de insaturação semelhante ao glicerol. dos ácidos graxos da triglicéride. O ponto de fusão diminui com o maior grau de insaturação. Portanto, os óleos contêm mais ácidos graxos insaturados que as gorduras. Exemplos destes componentes de gorduras e óleos e de uma molécula de triglicéride típica são mostrados na Figura B-9. &+ Quando os triglicérides são formados, uma molécula de água &+ &+ é liberada à medida que cada ácido graxo reage com o glicerol. O &+ tecido adiposo no organismo contém triglicérides. Quando o cor&+ po utiliza o tecido adiposo como fonte de energia, os triglicérides &+ &+ &+ reagem com a água para liberar ácidos graxos livres no sangue. &+ &+ &+ &+ Os ácidos graxos podem ser usados como uma fonte de energia imediata por muitos órgãos. No fígado, os ácidos graxos livres são &+ &+ &+ convertidos em compostos chamados corpos cetônicos. Dois dos &+ &+ corpos cetônicos são ácidos e um destes é a cetona denominada acetona. Um excesso de corpos cetônicos é produzido em decorD6LVWHPDGHDQHOHVWHURLGHGHWDOKDGR rência do diabetes mellitus, uma condição na qual a maioria das células recorre ao uso de ácidos graxos como fonte de energia, porque as células não conseguem captar quantidades adequadas de glicose devido à ação inadequada da insulina (veja p. 719). · Lipídios complexos Os lipídios complexos possuem mais de dois tipos de componentes. Os diferentes lipídios complexos geralmente contêm três ou mais dos seguintes componentes: glicerol, ácidos graxos, um grupo fosfato, um álcool diferente do glicerol e um carboidrato. Aqueles que contêm fosfato são chamados de fosfolipídeos. A Figura B-10 contém representações de alguns lipídios complexos, enfatizando seus componentes, mas não detalhando suas estruturas moleculares. · 14 Fisiologia humana E6LVWHPDGHDQHOHVWHURLGHVLPSOLILFDGR • FIGURA B-11 Sistema de anel esteroide. &+ &+ &+ &+&+&+ &+ *UXSRFDUER[LOD 2 *UXSRDPLQD + 1 &+ & 2+ 5 &+ &DGHLDODWHUDOGLIHUHQWHSDUDFDGDDPLQRiFLGR • FIGURA B-13 Estrutura geral dos aminoácidos. &ROHVWHURO +2 &+2+ +2 &+ & 2 2+ &+ &RUWLVRO 2 • FIGURA B-12 Exemplos de compostos esteroides. Os esteroides são lipídios que possuem uma característica estrutural única, consistindo em um sistema de anéis de carbono fundidos contendo três anéis de seis membros e um único anel de cinco membros ( Figura B-11). Diferentes esteroides possuem esta estrutura característica de anéis, mas possuem diferentes grupos funcionais e cadeias de carbono fixados. O colesterol, um álcool esteroidal, é o esteroide mais abundante no corpo humano. É um componente das membranas celulares e é usado pelo organismo para produzir outros esteroides importantes, dentre eles os sais biliares, os hormônios sexuais masculinos e femininos e os hormônios adrenocorticais. As estruturas do colesterol e do cortisol, um importante hormônio adrenocortical, estão representadas na Figura B-12. · Proteínas · O nome proteína é derivado da palavra Grega proteios, que significa “de primeira importância”. Certamente, é um termo apropriado para estes importantíssimos compostos biológicos. As proteínas são componentes indispensáveis de todas as coisas vivas, nas quais desempenham papéis cruciais em todos os processos biológicos. As proteínas são os principais componentes estruturais das células e todas as reações químicas no organismo são catalisadas por enzimas, que são proteínas. Composição química das proteínas As proteínas são macromoléculas compostas por monômeros chamados aminoácidos. Centenas de aminoácidos diferentes, tanto naturais quanto sintéticos, são conhecidos, mas apenas 20 são comumente encontrados nas proteínas naturais. A partir deste limitado grupo de 20 aminoácidos, as células constroem milhares de diferentes tipos de proteínas, cada uma com uma função própria e distinta, praticamente do mesmo modo que compositores criam uma diversidade de músicas singulares a partir de um pequeno número de notas. As diferentes proteínas são construídas pela variação dos tipos e números de aminoácidos usados e pela variação da ordem em que são ligados entre si. Entretanto, as proteínas não são construídas ao acaso, pela ligação aleatória de aminoácidos. Todas as proteínas do organismo são deliberada e precisamente sintetizadas sob a orientação de um projeto estabelecido nos genes do indivíduo. Portanto, os aminoácidos são montados em um padrão específico para produzir uma determinada proteína que realizará uma tarefa estrutural ou funcional específica no organismo (mais informações sobre a síntese proteica podem ser encontradas no Apêndice C). Ligações peptídicas Cada molécula de aminoácido possui três partes importantes: um grupo funcional amina (—NH2), um grupo funcional carboxila (—COOH) e uma cadeia lateral característica ou grupo R. Estes componentes são apresentados na forma expandida na Figura B-13. Os aminoácidos formam cadeias longas como resultado das reações entre o grupo amina de um aminoácido e o grupo carboxila de outro aminoácido. Esta reação é ilustrada na Equação B-16: · O O H2N CH CH3 H2N CH C O C OH H2N Ligação peptídica NH CH2 CH2 C Eq. B-16 O C OH → OH H2O CH3 É importante observar que após a reação de duas moléculas, as extremidades do produto ainda possuem um grupo amina e um grupo carboxila, que podem reagir para aumentar o comprimento da cadeia. A ligação covalente formada na reação é chamada de ligação peptídica ( Figura B-14). Em escala molecular, as proteínas são moléculas imensas. Seus tamanhos podem ser ilustrados comparando-se uma molécula de glicose a uma molécula de hemoglobina, uma proteína. A glicose tem peso molecular de 180 uma e a fórmula molecular C6H12O6. A hemoglobina, uma proteína relativamente pequena, tem peso molecular de 65.000 uma e a fórmula molecular C2952H4664O832 N812 S8Fe4. · Níveis de estrutura proteica Os vários átomos em uma proteína não são organizados de um modo aleatório. Na verdade, as proteínas possuem um alto grau de organização estrutural, que desempenha um papel importante em seu comportamento no organismo. ESTRUTURA PRIMÁRIA O primeiro nível de estrutura proteica é chamado de estrutura primária. Esta, simplesmente, é a ordem em que os aminoácidos são ligados para formar a cadeia proteica. Os aminoácidos frequentemente são representados Apêndice B 15 5 + 1 + & & + + 1 + 2 + 2+ + 5 1 5 2 & & 5 + 1 & + + & & & 2 2+ + · 2+ Hidrólise e desnaturação • FIGURA B-14 Ligação peptídica. Na formação de uma ligação peptídica, o grupo carboxila de um aminoácido reage com o grupo amina de outro aminoácido. Thr Lys Pro Thr Tyr Phe Phe Gly Arg · · · · · Thr—Lys—Pro—Thr—Tyr—Phe—Phe—Gly—Arg— · · · · · • FIGURA B-15 Porção da estrutura proteica primária da insulina humana. por abreviações de três letras, como Gly para glicina e Arg para arginina. Quando esta prática é seguida, a estrutura primária de uma proteína pode ser representada como na Figura B-15, que mostra parte da estrutura primária da insulina humana, ou como na Figura B-16a, que ilustra uma porção da estrutura primária da hemoglobina. · ESTRUTURA SECUNDÁRIA O segundo nível de estrutura proteica, chamado de estrutura secundária, acontece quando uma ponte de hidrogênio ocorre entre o hidrogênio da amina de um aminoácido e o oxigênio da carboxila de outro aminoácido na mesma cadeia. Como resultado desta ponte de hidrogênio, a porção relacionada da cadeia tipicamente assume uma forma espiralada, helicoidal, chamada de alfa-hélice (α), de longe a estrutura secundária mais comum encontrada no organismo ( Figura B-16b). Outras estruturas secundárias como folhas-beta (β) pregueadas e espirais aleatórias também podem se formar, dependendo do padrão das pontes de hidrogênio entre os aminoácidos localizados em diferentes partes da mesma cadeia. · O ( C ) ESTRUTURAS TERCIÁRIA E QUATERNÁRIA O terceiro nível de estrutura nas proteínas é a estrutura terciária. Ela ocorre quando grupos funcionais das cadeias laterais de aminoácidos na cadeia proteica reagem entre si. Vários tipos diferentes de interações são possíveis, como mostra a Figura B-17. As estruturas terciárias podem ser visualizadas se deixarmos que um pedaço de arame represente a cadeia de aminoácidos na estrutura primária de uma proteína. Vamos imaginar que o fio seja dobrado em volta de um lápis para formar uma hélice, que representa a estrutura · 16 Fisiologia humana · · 2 /LJDomRSHSWtGLFD · secundária. O lápis é removido e a estrutura helicoidal é agora dobrada novamente sobre si ou cuidadosamente compactada em uma bola. Estas estruturas dobradas ou esféricas representam a estrutura terciária de uma proteína (veja Figura B-16c). Todas as proteínas funcionais existem pelo menos em uma estrutura terciária. Algumas vezes, vários polipeptídios interagem entre si para formar um quarto nível de estrutura proteica, a estrutura quaternária. Por exemplo, a hemoglobina contém quatro cadeias de polipeptídeos altamente dobradas (a porção globina) (veja Figura B-16d). Quatro grupos heme contendo ferro, um embutido no interior de cada uma das subunidades de polipeptídios dobradas, completam a estrutura quaternária da hemoglobina (veja Figura 11-2). Além de atuar como enzimas que catalisam muitas reações químicas essenciais do organismo, as próprias proteínas podem também sofrer reações. Duas das mais importantes são a hidrólise e a desnaturação. HIDRÓLISE Observe que, de acordo com a Equação B-16, a formação das ligações peptídicas libera moléculas de água. Em condições apropriadas, é possível reverter estas reações adicionando-se água às ligações peptídicas e decompondo-as. Reações de hidrólise (“decomposição por H2O”) deste tipo convertem grandes proteínas em fragmentos menores ou mesmo em aminoácidos individuais. A hidrólise é o meio pelo qual as enzimas digestórias decompõem os alimentos ingeridos em unidades pequenas que possam ser absorvidas do lúmen do trato digestório para o sangue. DESNATURAÇÃO A desnaturação de proteínas ocorre quando as ligações que mantêm uma proteína em sua conformação característica são quebradas, de modo que a cadeia proteica assuma uma conformação aleatória e desorganizada. A desnaturação pode ocorrer quando as proteínas são aquecidas (incluindo quando a temperatura corporal aumenta muito; veja p. 650 do livro), submetidas a extremos de pH (veja p. 571) ou tratadas com produtos químicos específicos como álcool. Em alguns casos, a desnaturação é acompanhada por coagulação ou precipitação, como ilustrado pelas alterações que ocorrem na parte branca de um ovo quando ele é frito. Ácidos Nucleicos Os ácidos nucleicos são macromoléculas de alto peso molecular, responsáveis pelo armazenamento e uso de informações genéticas nas células vivas e por sua transmissão para gerações futuras. Estas importantes biomoléculas são classificadas em duas categorias: ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). O DNA é encontrado primariamente no núcleo celular e o RNA é encontrado principalmente no citoplasma que cerca o núcleo. Os dois tipos de ácido nucleico são compostos por unidades chamadas nucleotídeos, que, por sua vez, são compostos por três componentes mais simples. Cada nucleotídeo contém uma base nitrogenada orgânica, um grupo açúcar e um fosfato. Os três componentes estão quimicamente ligados, estando a molécula de açúcar situada entre a base e o fosfato. No RNA, o açúcar é a ribose, enquanto no DNA é a desoxirribose. Quando os nucleotídeos Ligações peptídicas (a) Estrutura primária Aminoácidos C H N O C C O H N C C N H O C O N H C C C H O C Folha-beta pregueada H C N H C O N C C C Pontes de hidrogênio C O N C C N C C O O H N C N C C O C C C Alfa-hélice C O N C H N N O C C H N O N H N HO C C C H O H H C (b) Estrutura secundária H C N C O N R C O H C H HO H N H N H O C C R N H C C O Espiral aleatória O C C R H C C N O N C O R R C C O N H (c) Estrutura terciária (d) Estrutura quaternária Molécula de hemoglobina composta por quatro polipeptídeos extremamente dobrados • FIGURA B-16 Níveis da estrutura proteica. As proteínas podem ter quatro níveis estruturais. (a) A estrutura primária é uma sequência específica de aminoácidos ligados em uma cadeia. (b) No nível secundário, pontes de hidrogênio ocorrem entre vários aminoácidos dentro da cadeia, fazendo com que a cadeia assuma uma forma específica. A estrutura proteica secundária mais comum no organismo é a alfa-hélice. (c) A estrutura terciária é formada pela dobra da estrutura secundária em uma configuração tridimensional funcional. (d) Muitas proteínas possuem um quarto nível de estrutura, composto por vários polipeptídeos, como exemplificado pela hemoglobina. Apêndice B 17 são ligados para formar cadeias de ácidos nucleicos, a ligação ocorre entre o fosfato de um nucleotídeo e o açúcar do outro. Os ácidos nucleicos resultantes consistem em cadeias de moléculas alternadas de fosfatos e açúcar, com uma molécula de base estendendo-se para fora da cadeia de cada molécula de açúcar (veja Figura C-1). As cadeias de ácidos nucleicos possuem características estruturais um pouco semelhantes às encontradas nas proteínas. O DNA assume a forma de duas cadeias que se espiralam mutuamente uma em torno da outra para formar a bem conhecida dupla hélice. Parte do RNA ocorre em cadeias essencialmente retas, enquanto em outros tipos a cadeia forma alças ou hélices específicas. Veja Apêndice C para detalhes adicionais. Cys —S—S— Cys Interações hidrofóbicas Ponte dissulfeto · Ser Asp —COO – H 3N + — Ponte salina Phe Phe Estrutura peptídica (alfa-hélice) O H Lys O H Ponte de hidrogênio Ser • FIGURA B-17 Interações da cadeia lateral levando a uma estrutura proteica terciária. 1+ Biomoléculas de alta energia 1 & & 1 Nem todos os nucleotídeos são usados para +& construir ácidos nucleicos. Um nucleotídeo &+ & 2+ 2+ 2+ 1 muito importante – a adenosina trifosfato 1 $GHQRVLQD (ATP) – é usado como principal transporta+2 3 2 3 2 3 2 &+ 2 $GHQLQD dor de energia do organismo. Algumas liga+ + 2 2 2 ções de ATP armazenam temporariamente a + + energia obtida pelo metabolismo de alimen*UXSRVIRVIDWR tos e é disponibilizada para as partes das célu+2 2+ las conforme a necessidade para cada trabalho celular específico. Vamos analisar como 5LERVH 7ULIRVIDWR a ATP executa este papel. Estruturalmente, a ATP é um nucleotídeo RNA (contendo ribo- • FIGURA B-18 Estrutura da ATP. se) modificado, que possui adenina em sua base e dois fosfatos adicionais ligados em sequência ao fosfato alta energia quando necessário? Por que não apenas usar diredo nucleotídeo original. Portanto, a adenosina trifosfato, como tamente a energia liberada durante a oxidação de moléculas nuo nome indica, tem um total de três fosfatos fixados em série à trientes como a glicose? Se toda a energia química armazenada adenosina, a combinação de ribose e adenina ( Figura B-18). A na glicose fosse liberada de uma vez, a maioria da energia seria fixação destes fosfatos adicionais requer uma considerável entradesperdiçada, porque a célula não poderia captar grande parte da de energia. A alta absorção de energia usada para criar estas da energia para uso imediato. Em vez disso, a energia aprisionaligações de fosfato de alta energia é “armazenada” nas ligações da nas ligações da glicose é liberada gradualmente e obtida “aos para uso posterior. A maior parte das transferências energétibocados” pela célula, na forma das ligações de fosfato altamente cas corporais envolve a ligação de fosfato terminal de ATP. Quanenergéticas da ATP. do a energia é necessária, o terceiro fosfato é clivado por hidrólise, Sob a influência de uma enzima, a ATP pode ser convertida produzindo adenosina difosfato (ADP) e um fosfato inorgânico em uma forma cíclica de adenosina monofosfato, que contém (Pi) e liberando energia no processo (Equação B-17): apenas um grupo fosfato, com os outros dois sendo clivados. A molécula resultante, chamada AMP cíclico ou cAMP, funciona Eq. B-17 ATP → ADP + Pi + energia para uso pela célula como mensageiro intracelular, afetando as atividades de várias Por que usar a ATP como moeda corrente de energia, que enzimas envolvidas em importantes reações no organismo (veja as células podem sacar pela clivagem das ligações de fosfato de p. 121 do livro). · 18 Fisiologia humana apên dic e C Armazenamento, replicação e expressão da informação genética Ácido desoxirribonucleico (DNA) e cromossomos O núcleo da célula abriga o ácido desoxirribonucleico (DNA), a impressão genética específica a cada indivíduo. Funções do DNA Como material genético, o DNA tem duas funções essenciais. Em primeiro lugar, contém “instruções” para a construção das proteínas estruturais e enzimáticas da célula. As enzimas celulares, por sua vez, controlam a formação de outras estruturas celulares e determinam a atividade funcional da célula regulando a velocidade pela qual as reações metabólicas ocorrem. O núcleo serve como centro de controle da célula, controlando direta ou indiretamente quase todas as atividades celulares por meio da ação que o DNA desempenha na orientação da síntese proteica. Uma vez que as células compõem o organismo, o código do DNA determina as estruturas e funções orgânicas como um todo. O DNA de um organismo não apenas define se esse organismo é um humano, um sapo ou uma ervilha, mas também determina as características físicas e funcionais únicas daquele indivíduo, que dependem todas, em última análise, das proteínas produzidas sob controle do DNA. Em segundo lugar, pela replicação (criação de cópias de si mesmo), o DNA perpetua o blueprint genético individual em todas as novas células formadas no organismo e é responsável pela passagem das informações genéticas dos pais para os filhos. Examinaremos primeiro a estrutura do DNA e o mecanismo de codificação que ele utiliza e então nos voltaremos aos meios pelos quais o DNA se replica e controla a síntese proteica. Estrutura do DNA O ácido desoxirribonucleico é uma grande molécula, composta nos humanos por milhões de nucleotídeos organizados em duas faixas longas e pareadas que são espiraladas entre si para formar uma dupla hélice. Cada nucleotídeo possui três componentes: (1) uma base nitrogenada, uma molécula orgânica em forma de anel contendo nitrogênio; (2) uma molécula de açúcar de cinco carbonos em forma de anel, que no DNA é a desoxirribose; e (3) um grupo fosfato. Os nucleotídeos são unidos pelas extremidades por ligações entre o açúcar de um nucleotídeo e o grupo fosfato do nucleotídeo adjacente, formando uma longa fita de polinucleotídeos (“muitos nucleotídeo”) com um es- queleto açúcar-fosfato e bases projetando-se em um dos lados ( Figura C-1). As quatro diferentes bases no DNA são as bases de duplo anel adenina (A) e guanina (G) e as bases de anel único citosina (C) e timina (T). As duas fitas de polinucleotídeos em uma molécula de DNA enrolam-se uma em torno da outra, de modo que todas as bases se projetem para o interior da hélice. As fitas são mantidas juntas por fracas pontes de hidrogênio formadas entre as bases das fitas adjacentes (veja Figura B-6). O pareamento das bases é altamente específico: a adenina forma par apenas com a timina e a guanina pareia somente com a citosina ( Figura C-2). · · · GENES A composição dos reiterados esqueletos de açúcar-fosfato que formam as “laterais” das “escadas” do DNA é idêntica para todas as moléculas de DNA, mas a sequência de bases ligadas que formam os “degraus” varia entre diferentes moléculas de DNA. A sequência específica de bases em uma molécula de DNA serve como “instrução” ou “código” que orienta a montagem dos aminoácidos em uma determinada ordem para a síntese de polipeptídeos específicos (cadeias de aminoácidos ligadas por pontes peptídicas; veja o Apêndice A). Um gene é um trecho de DNA que codifica a síntese de um polipeptídeo específico. Os polipeptídeos, por sua vez, são dobrados em uma configuração tridimensional para formar uma proteína funcional. Nem todas as porções de uma molécula de DNA codificam proteínas estruturais ou enzimáticas. Alguns trechos do DNA codificam as proteínas que regulam os genes. Outros segmentos parecem importantes na organização e empacotamento do DNA no interior do núcleo. Outras regiões são ainda sequências de base “sem sentido”, que não possuem nenhum significado aparente. Empacotamento do DNA nos cromossomos As moléculas de DNA em cada célula humana, se alinhadas de uma extremidade a outra, se estenderiam por mais de 2 m (2.000.000 µm) e ainda assim essas moléculas são embaladas em um núcleo que tem apenas 5 µm de diâmetro. Essas moléculas não estão abarrotadas aleatoriamente no núcleo, mas são precisamente organizadas em cromossomos. Cada cromossomo consiste em uma diferente molécula de DNA e contém um conjunto único de genes. As células somáticas (do corpo) contêm 46 cromossomos (o número diploide), que podem ser divididos em 23 pares de acordo com várias características distintivas. Os cromossomos que compõem um par correspondente são chamados cromossomos Apêndice C 19 2 &+ 1 2 7LPLQD 2 1 &+ 2 2 2² 1+ %DVH 1 1 1 1 $GHQLQD 1+ 2 &+ 2 2 3 2 2² 1 2 &LWRVLQD 1+ )RVIDWR 1XFOHRWtGHR 2 1 &+ 2 2 $o~FDU 3 2 2² 2 1 3 2 1 1 1 *XDQLQD 2 &+ 2 2 3 2 2² /(*(1'$ 2 (VTXHOHWRGHDo~FDUIRVIDWR GDILWDGHSROLQXFOHRWtGHRV • FIGURA C-1 Fita de polinucleotídeos. Ligações de açúcar-fosfato unem os nucleotídeos adjacentes para formar uma fita de polinucleotídeos com as bases projetadas para um lado. O esqueleto de açúcar-fosfato é idêntico em todos os polinucleotídeos, mas a sequência das bases varia. homólogos, sendo que um membro de cada par deriva do genitor materno e o outro, do genitor paterno do indivíduo. As células germinativas (reprodutivas) (ou seja, espermatozoides e óvulos) contêm apenas um membro de cada par homólogo para um total de 23 cromossomos (o número haploide). A união de um espermatozoide e um óvulo resulta em uma nova célula diploide com 46 cromossomos, consistindo em um conjunto de 23 cromossomos da mãe e outro conjunto de 23 do pai. 20 Fisiologia humana Em parte, as moléculas de DNA são empacotadas e comprimidas em unidades cromossômicas distintas por proteínas nucleares associadas ao DNA. Duas classes de proteínas – proteínas histonas e não histonas – ligam-se ao DNA. As histonas formam corpos em forma de contas que atuam no empacotamento do DNA na estrutura cromossômica. As não histonas são importantes na regulação genética. O complexo formado entre o DNA e proteínas associadas é conhecido como cromatina. Os longos filamentos de DNA em um cromossomo são dobrados em torno das histonas em intervalos regulares, comprimindo assim a molécula de DNA em aproximadamente um sexto de seu comprimento totalmente estendido. Esta estrutura semelhante a um “colar de contas” é posteriormente dobrada e superespiralada em níveis cada vez maiores de organização para condensar ainda mais o DNA em cromossomos na forma de bastões, que são facilmente visíveis em um microscópio óptico durante a divisão celular ( Figura C-3). Quando a célula não está em divisão, os cromossomos “se desdobram” ou descondensam-se parcialmente em uma forma menos compacta de cromatina que é indistinta sob microscopia óptica, mas que se parece com fitas finas e grumos em um microscópio eletrônico. A forma descondensada do DNA é sua forma funcional; ou seja, é a forma usada como modelo para a montagem de proteínas. Vamos voltar nossa atenção para esta forma funcional de DNA em operação. · Pareamento de bases complementares, replicação e transcrição O pareamento das bases complementares serve como um alicerce tanto para a replicação do DNA quanto para a etapa inicial da síntese proteica. Examinaremos o mecanismo e a importância do pareamento de bases complementares em cada uma destas circunstâncias, começando com a replicação do DNA. Replicação do DNA Durante a replicação do DNA, as duas fitas DNA descondensadas são “descomprimidas” quando as fracas ligações entre as bases pareadas são quebradas por enzimas. Então, o pareamento das bases complementares ocorre: novos nucleotídeos presentes no núcleo são pareados com as bases expostas de cada fita descomprimida ( Figura C-4). Novos nucleotídeos portadores de adenina são pareados com novos nucleotídeos portadores de timina em uma fita antiga, e novos nucleotídeos portadores de guanina são pareados com novos nucleotídeos portadores de citosina em uma fita antiga. · 3 3 6 & 6 * 3 3 6 %DVH )RVIDWR $ 7 6 3 $o~FDU 3 6 * & 6 3 1XFOHRWtGHR 3 6 7 6 $ 3 3 6 & 6 * 3 3 6 * & 6 3 3 6 7 $ 6 3 3 6 $ 7 6 3 3 D)LWDVGHSROLQXFOHRWtGHRVPDQWLGDVXQLGDVSRUOLJDo}HVIUDFDVHQWUH DVEDVHVFRPSOHPHQWDUHV /(*(1'$ $GHQLQD $ 7 7LPLQD * & E0ROpFXODGH'1$PRVWUDQGR DGLVSRVLomRGDVILWDVGH SROLQXFOHRWtGHRV *XDQLQD (VTXHOHWRGHDo~FDUIRVIDWR &LWRVLQD 3RQWHVGHKLGURJrQLR • FIGURA C-2 Pareamento de bases complementares no DNA. (a) Duas fitas de polinucleotídeos mantidas unidas por pontes de hidrogênio fracas formadas entre as bases de fitas adjacentes – adenina sempre pareada com timina e guanina sempre pareada com citosina. (b) Disposição de duas fitas de polinucleotídeos unidas de uma molécula de DNA em dupla hélice. Este pareamento das bases complementares é iniciado em uma extremidade das duas fitas antigas e prossegue de modo ordenado até a outra extremidade. Os novos nucleotídeos atraídos, e consequentemente alinhados na ordem prescrita pelos nucleotídeos antigos, são acompanhados sequencialmente por ligações de açúcar-fosfato que formam duas novas fitas, que são complementares a cada uma das fitas antigas. Este processo de replicação resulta em duas moléculas de DNA de dupla fita completas, uma fita de cada molécula originada da molécula de DNA original e a outra recém-formada pelo pareamento das bases complementares. Estas duas moléculas de DNA são idênticas à molécula de DNA original, com a fita “ausente” em cada uma das fitas originais separadas tendo sido produzida como resultado do padrão imposto de pareamento entre as bases. Este processo de replicação, que ocorre apenas du- rante a divisão celular, é essencial para a perpetuação do código genético nas duas novas células filhas. As cópias em duplicata do DNA são separadas e distribuídas homogeneamente para as duas metades da célula antes da divisão. Abordaremos o tópico da divisão celular com mais detalhes posteriormente. Transcrição de DNA e RNA mensageiro Em outros momentos, quando o DNA não está se replicando em preparação para divisão celular, ele serve como um plano de orientação da síntese proteica celular. Como isto é realizado quando o DNA está armazenado no núcleo e a síntese proteica é realizada por ribossomos no citoplasma? Vários tipos de outro ácido nucleico, o ácido ribonucleico (RNA), servem como “intermediários”. Apêndice C 21 (a) Dupla hélice de uma molécula de DNA DNA Histona (b) Moléculas de DNA enroladas em torno de proteínas histonas, formando uma estrutura de “colar de contas” (c) Dobramento adicional e superespiralamento do complexo DNA-histona (d) Cromossomos em forma de bastão, a forma mais condensada do DNA, visíveis no núcleo da célula durante a divisão celular. • FIGURA C-3 Níveis de organização do DNA. ESTRUTURA DO ÁCIDO RIBONUCLEICO O ácido ribonucleico difere estruturalmente do DNA em três aspectos: (1) o açúcar de cinco carbonos no RNA é a ribose e não a desoxirribose, sendo que a única diferença entre elas é um único átomo de oxigênio, presente na ribose, mas ausente na desoxirribose; (2) o RNA não contém timina, mas a base intimamente relacionada uracila, porém, as outras três bases são as mesmas do DNA; e (3) o RNA tem uma fita simples e não sofre autorreplicação. Todas as moléculas de RNA são produzidas no núcleo usando o DNA como modelo; então, saem do núcleo por aberturas da membrana nuclear chamadas poros nucleares, que são grandes o suficiente para a passagem de moléculas de RNA, mas bloqueiam as moléculas de DNA, muito maiores. As instruções do DNA para a montagem de uma proteína específica codificada na sequência de bases de um determinado gene são “transcritas” em uma molécula de RNA mensageiro (RNAm). O segmento da molécula de DNA que será copiado se desdobra e os pares de base são separados para expor a sequência específica de bases no gene. Em qualquer gene, apenas uma das fitas de DNA é usada como modelo para a transcrição do 22 Fisiologia humana RNA, com a fita copiada variando para os diferentes genes ao longo da mesma molécula de DNA. O início e o fim de um gene na fita de DNA são determinados por sequências de bases específicas, que servem como sinais de “início” e “parada”. TRANSCRIÇÃO A transcrição é realizada pelo pareamento das bases complementares de nucleotídeos de RNA livres com os equivalentes de DNA no gene exposto ( Figura C-5). As mesmas regras de pareamento são aplicadas, com exceção de que a uracila, o substituto para a timina no RNA, é pareada com a adenina nos nucleotídeos de DNA expostos. Assim que os nucleotídeos de RNA são pareados com seus equivalentes no DNA, ligações de açúcar-fosfato são formadas para unir os nucleotídeos em uma molécula de RNA de fita simples, liberada do DNA quando a transcrição estiver completa. A conformação original de DNA é então restaurada. A fita de RNA é muito mais curta que uma fita de DNA, porque apenas um segmento genético do DNA é transcrito em uma única molécula de RNA. A extensão da transcrição do RNA completo varia conforme o tamanho do gene. Na sequência de bases de nucleotídeos, · 1RYRQXFOHRWtGHRGH'1$VHQGR IL[DGRjFDGHLDGHSROLQXFOHRWtGHRV HPFUHVFLPHQWR 1RYDILWDFRPSOHPHQWDU )LWDRULJLQDO /(*(1'$ 0 0 0 0 0$GHQLQD 07LPLQD 0*XDQLQD 0&LWRVLQD 0 0(VTXHOHWRGHDo~FDUIRVIDWR GDILWDRULJLQDO 0 0(VTXHOHWRGHDo~FDUIRVIDWR GDQRYDILWDFRPSOHPHQWDU • FIGURA C-4 Pareamento de bases complementares durante a replicação do DNA. Durante a replicação do DNA, a molécula de DNA está descompactada e cada fita antiga orienta a formação de uma nova fita; o resultado consiste em duas moléculas idênticas de DNA em dupla hélice. esta transcrição de RNA contém instruções para a montagem da proteína específica. Observe que a mensagem é codificada em uma sequência de bases complementar, mas não idêntica, ao código do DNA original. O RNA mensageiro fornece a mensagem codificada final aos ribossomos para sua tradução em uma sequência específica de aminoácidos, com o objetivo de formar uma determinada proteína. Portanto, a informação genética flui do DNA (que pode se replicar) pelo RNA até a proteína. Isto é inicialmente realizado pela transcrição do código do DNA em um código de RNA complementar, seguida pela tradução do código do RNA em uma proteína específica ( Figura C-6). Na próxima seção, veremos mais sobre as etapas da tradução. As características estruturais e funcionais da célula, determinadas pela composição proteica, podem ser variadas, submetidas a um · controle, dependendo de quais genes forem “ativados” para produção do RNAm. Os nucleotídeos livres presentes no núcleo não podem ser unidos aleatoriamente para formar DNA ou fitas de RNA, pois as enzimas necessárias para ligar os componentes de açúcar e fosfato dos nucleotídeos estão ativas apenas quando ligadas ao DNA. Isto garante que DNA, RNAm e a montagem de proteínas ocorram apenas de acordo com o plano genético. Tradução e síntese proteica Três formas de RNA participam da síntese proteica. Além do RNA mensageiro, duas outras formas de RNA são necessárias para a tradução da mensagem genética em proteínas celulares: o RNA ribossômico e o RNA de transferência. Apêndice C 23 1XFOHRWtGHRGH51$ 51$PHQVDJHLUR )LWDGH'1$ ■ O RNA mensageiro (RNAm) transporta a mensagem codificada do DNA nuclear para o ribossomo citoplasmático, onde orienta a síntese de uma proteína específica. ■ O RNA ribossômico (RNAr) é um componente essencial dos ribossomos, a “bancada de trabalho” da síntese proteica. Os ribossomos “leem” o código da sequência de bases do RNAm, traduzindo-o na sequência de aminoácidos adequada durante a síntese proteica. ■ O RNA de transferência (RNAt) transfere os aminoácidos apropriados no citosol para o local designado na sequência de aminoácidos da proteína em construção. Código tríplice; códon Vinte aminoácidos diferentes são usados para a construção de proteínas e ainda assim apenas quatro diferentes bases de nucleotídeos são usadas para codificar estes vinte aminoácidos. No “dicionário genético”, cada aminoácido diferente é individualizado por um código tríplice que con/(*(1'$ siste em uma sequência específica de três bases na cadeia de nucle0 0$GHQLQD 0 07LPLQD otídeos do DNA. Por exemplo, a 0 0*XDQLQD sequência de DNA ACA (adenina, 0 0&LWRVLQD citosina, adenina) especifica o 0 08UDFLOD aminoácido cisteína, enquanto a 0 0(VTXHOHWRGHDo~FDUIRVIDWR sequência ATA especifica o aminoácido tirosina. Cada código • FIGURA C-5 Pareamento de bases complementares durante a transcrição do DNA. Durante a tríplice do DNA é transcrito em transcrição do DNA, uma molécula de RNA mensageiro é formada quando nucleotídeos de RNA são RNAm como uma palavra de cómontados pelo pareamento de bases complementares em um determinado segmento de uma fita de digo complementar, ou códon, uma molécula de DNA descompactada (ou seja, um gene). consistindo em uma ordem sequencial de três bases pareadas ao código tríplice de DNA. Por exemplo, o código tríplice de DNA ATA é transcrito como UAU (uracila, adenina, uracila) no RNAm. Sessenta e quatro diferentes combinações tríplices de DNA 7UDQVFULomR 7UDGXomR (e, consequentemente, 64 diferentes combinações de códons '1$ 51$ 3URWHtQD de RNAm) são possíveis usando-se as quatro diferentes bases de nucleotídeo (43). Destas combinações possíveis, 61 codificam aminoácidos específicos e as outras 3 servem como “sinais 5HSOLFDomR de parada”. Um sinal de parada atua como “ponto final” no fim de • FIGURA C-6 Fluxo da informação genética, de DNA por RNA até uma “sentença”. A sentença consiste em uma série de códigos proteína, por transcrição e tradução. tríplices que especificam a sequência de aminoácido em uma proteína específica. Quando o códon de parada é atingido, o RNA ribossômico libera o produto polipeptídico terminado. Uma vez que 61 códigos triplos especificam cada um dos aminoácidos específicos e existem vinte aminoácidos diferentes, 24 Fisiologia humana um determinado aminoácido pode ser especificado por mais de uma combinação de base tripla. Por exemplo, a tirosina é especificada pela sequência de DNA ATG, bem como por ATA. Além disso, um código tríplice de DNA, TAC (sequência de códon no RNAm AUG) funciona como “sinal de partida”, além de especificar o aminoácido metionina. Este código marca o lugar no RNAm em que a tradução deve começar para que a mensagem seja iniciada na extremidade correta e, consequentemente, lida na direção certa. Curiosamente, o mesmo dicionário genético é usado universalmente; um determinado código de três bases corresponde ao mesmo aminoácido em todas as coisas vivas, incluindo micro-organismos, plantas e animais. Ribossomos Um ribossomo reúne todos os componentes que participam da síntese proteica – RNAm, RNAt e aminoácidos – e fornece as enzimas e a energia necessárias para a ligação dos aminoácidos entre si. A natureza da proteína sintetizada por um determinado ribossomo é determinada pela mensagem do RNAm que está sendo traduzida. Cada RNAm serve como um código para apenas um polipeptídio específico. Um ribossomo é uma estrutura proteica de RNAr organizada em duas subunidades de tamanho desigual. Estas subunidades são aproximadas apenas quando uma proteína está sendo sintetizada ( Figura C-7, etapa 1 ; veja também no Capítulo 2 a Figura 2-17). Durante a montagem de um ribossomo, uma molécula de RNAm é fixada às subunidades menores do ribossomo por meio de uma sequência líder, uma seção do RNAm que precede o códon inicial. A pequena subunidade com o RNAm fixado liga-se então a uma subunidade maior para formar um ribossomo funcional completo. Quando duas subunidades são unidas, um sulco é formado, acomodando a molécula de RNAm enquanto ela é traduzida. · · RNA de transferência e anticódons Os aminoácidos livres no citosol não podem “reconhecer” e ligar-se diretamente aos códons específicos no RNAm. O RNA de transferência deve trazer os aminoácidos certos até o códon apropriado. Embora o RNAt tenha uma fita simples, como todas as moléculas de RNA, ele é dobrado sobre si em forma de T com as extremidades formando uma alça ( Figura C-8). A porção de alça com abertura final reconhece e liga-se a um aminoácido específico. Existem pelo menos 20 diferentes variedades de RNAt, cada uma capaz de ligar-se a apenas um dos 20 diferentes tipos de aminoácidos. Costuma-se dizer que um RNAt está “carregado” quando está transportando um aminoácido passageiro. A extremidade em alça de um RNAt oposta ao local de ligação do aminoácido contém uma sequência de três bases expostas, conhecida como anticódon, que é complementar ao códon de RNAm que especifica o aminoácido a ser transportado. Pelo pareamento de bases complementares, um RNAt pode ligar-se ao RNAm e inserir o aminoácido na proteína em construção apenas no local designado pelo códon para o aminoácido. Por exemplo, a molécula de RNAt que se liga à tirosina possui o anticódon AUA, que pode ser pareado apenas com o códon de RNAm UAU, que especifica a tirosina. A função de ligação dupla das moléculas de RNAt garante que os aminoácidos corretos sejam for- · necidos ao RNAm para montagem na ordem especificada pelo código genético. O RNA de transferência pode ligar-se ao RNAm apenas em um ribossomo, portanto, a montagem de proteínas não ocorre exceto no interior de um ribossomo. Etapas da síntese proteica As três etapas da síntese proteica são iniciação, alongamento e finalização. 1. Iniciação. A síntese proteica é iniciada quando uma molécula de RNAt carregada, portando o anticódon específico para o códon, começa a ligação neste local no RNAm (veja Figura C-7, etapa 2 ; também veja no Capítulo 2 a Figura 2-17). · · 2. Alongamento. Um segundo RNAt carregado, portando o anticódon específico para o códon seguinte na sequência de RNAm, ocupa então o próximo local do primeiro RNAt (etapa 3 ). Em qualquer momento, um ribossomo pode acomodar apenas duas moléculas de RNAt ligadas a códons adjacentes. Por ação enzimática, uma ligação peptídica é formada entre os dois aminoácidos ligados às hastes das moléculas de RNAt adjacentes (etapa 4 ). Subsequentemente, a ligação entre o primeiro RNAt e o aminoácido passageiro é quebrada, deixando o segundo RNAt com uma cadeia de dois aminoácidos. A molécula de RNAt não carregada (aquela sem o passageiro aminoácido) é liberada do RNAm (etapa 5 ). O ribossomo então se move ao longo da molécula de RNAm precisamente em três bases, a distância de um códon (etapa 6 ), de modo que o RNAt portador da cadeia de dois aminoácidos seja movido para o local ribossômico de número um para RNAt. Em seguida, chega um RNAt carregado com um anticódon complementar para o terceiro códon da sequência de RNAm, ocupando o local ribossômico de número dois que foi liberado pelo segundo RNAt (etapa 7 ). A cadeia de dois aminoácidos liga-se em seguida e é transferida para o terceiro RNAt para formar uma cadeia de três aminoácidos (etapa 8 ). Pela repetição deste processo, aminoácidos são adicionados subsequentemente, um por vez, a uma cadeia de polipeptídeos em crescimento na ordem designada pela sequência do códon, à medida que o equipamento de tradução ribossômica move-se gradualmente ao longo da molécula de RNAm, um códon por vez (etapa 9 ). Este processo é rápido. Entre dez e 15 aminoácidos podem ser adicionados a cada segundo. 3. Finalização. O alongamento da cadeia de polipeptídeos continua até que o ribossomo atinja um códon de parada na molécula de RNAm, quando o polipeptídeo é enfim liberado. O polipeptídeo é então dobrado e modificado em uma proteína completamente pronta. As subunidades ribossômicas são dissociadas e ficam livres para serem montadas novamente em outro ribossomo para tradução de outras moléculas de RNAm. Custo energético da síntese proteica A síntese proteica é dispendiosa em termos de energia. A fixação de cada novo aminoácido à cadeia polipeptídica em crescimento requer um investimento total de divisão de quatro ligações de fosfato de alta energia – duas para carregar o RNAt ao aminoácido, uma para ligar RNAt ao complexo ribossomo-RNAm e uma para mover o ribossomo um códon adiante. Apêndice C 25 *UDQGHVXEXQLGDGH $PLQRiFLGR 51$W 3HTXHQDVXEXQLGDGH $ * $ $QWLFyGRQ & 8 8 $ & & & & * $ 8*8 8 * & $ 8 * 8$ * $ * & 8 $ & & * $ 8*8 & & 8 & * 8 $ 51$P $ 8 * 8$ * 5LERVVRPR 6HTXrQFLD OtGHU 3ULPHLURORFDOGH 6HJXQGRORFDOGH OLJDomRULERVV{PLFD OLJDomRULERVV{PLFD 3ULPHLUR 6HJXQGR FyGRQ FyGRQ $VHWDSDV DVmR UHSHWLGDV * 8 $ 8 & * * $ & * $ 8 * 8 &8 & 8& $ $ 8 8 * $ & *& *$ $ * * $ 8*8 8 & & & * $ $ & & 8 $ 8 * 8$ * 1DOLJDomRFRPDPROpFXODGH51$PHQVDJHLUR51$PDVXEXQLGDGHULERVV{PLFDSHTXHQDXQHVHjVXEXQLGDGHJUDQGHSDUD IRUPDUXPULERVVRPRIXQFLRQDO 8P51$GHWUDQVIHUrQFLD51$WFDUUHJDGRFRPVHXDPLQRiFLGRHVSHFtILFRSDVVDJHLUROLJDVHDR51$PSRUPHLRGRSDUHDPHQWR GHEDVHVFRPSOHPHQWDUHVHQWUHRDQWLFyGRQGR51$WHRSULPHLURFyGRQGR51$PSRVLFLRQDGRQRSULPHLURVtWLRGHOLJDomRULERVV{PLFD 2XWUDPROpFXODGH51$WOLJDVHDRFyGRQVHJXLQWHQR51$PSRVLFLRQDGRQRVHJXQGRVtWLRGHOLJDomRULERVV{PLFD 2DPLQRiFLGRGRSULPHLUR51$WpOLJDGRDRDPLQRiFLGRQRVHJXQGR51$W 2SULPHLUR51$WpGHVWDFDGR 2ULERVVRPRVHGHVORFDXPFyGRQSDUDIUHQWHXPDGLVWkQFLDGHWUrVVHTXrQFLDVGHEDVHVDRORQJRGDPROpFXODGH51$P 2XWUR51$WFDUUHJDGRDSUR[LPDVHSDUDVHOLJDUDRFyGRQVHJXLQWHGR51$PTXHDJRUDSDVVRXSDUDRVHJXQGRORFDOGHOLJDomR ULERVV{PLFD 2VDPLQRiFLGRVGR51$WQRSULPHLURVtWLRULERVV{PLFRVmROLJDGRVDRDPLQRiFLGRQRVHJXQGRORFDO (VWHSURFHVVRFRQWLQXDRXVHMDDVHWDSDVDVmRUHSHWLGDVFRPRFUHVFLPHQWRGDFDGHLDGHSROLSHSWtGHRVDWpTXHXPFyGRQ GHSDUDGDVHMDDWLQJLGRHDFDGHLDGHSROLSHSWtGHRVVHMDOLEHUDGD • FIGURA C-7 Montagem ribossômica e tradução de proteínas. 26 Fisiologia humana 2VDPLQRiFLGRV VmRIL[DGRVDTXL 5HJLmRGR SDUHDPHQWR GHEDVHV * 5LERVVRPR 3URWHtQD $ & & & 51$P • FIGURA C-9 Um polirribossomo. Um polirribossomo é formado por numerosos ribossomos que traduzem simultaneamente o RNAm. 51$W $ 8 $ $QWLFyGRQ 8 $ 8 &yGRQ 51$P • FIGURA C-8 Estrutura de uma molécula de RNAt. A extremidade aberta de uma molécula de RNAt fixa-se a aminoácidos livres. A alça do anticódon da molécula de RNAt vincula-se a um códon de RNAm complementar. Polirribossomos Várias cópias de uma determinada proteína podem ser produzidas a partir de uma única molécula de RNAm antes que esta seja quimicamente degradada. À medida que um ribossomo se move para frente ao longo da molécula de RNAm, um novo ribossomo é fixado no ponto inicial do RNAm, também iniciando a tradução da mensagem. A fixação de muitos ribossomos a uma única molécula de RNAm resulta em um polirribossomo. Múltiplas cópias de uma proteína idêntica são produzidas quando cada ribossomo transmite e traduz a mesma mensagem ( Figura C-9). As proteínas liberadas são usadas no citosol, com exceção de algumas que passam para o núcleo pelos poros nucleares. Lembre-se de que, em contraste com os polirribossomos citosólicos, os ribossomos orientados para ligação com retículo endoplasmático rugoso (ER) fornecem as cadeias de polipeptídeos em crescimento para o lumen do ER. As proteínas resultantes são subsequentemente embaladas para exportação das células ou para reposição de componentes da membrana celular. · Controle da atividade genética e transcrição proteica Uma vez que cada célula somática no organismo possui um projeto de DNA idêntico, poderíamos supor que todas produziriam a mesma proteína. Contudo, este não é o caso porque diferentes tipos celulares são capazes de transcrever diferentes conjuntos de genes e, consequentemente, de sintetizar diferentes conjuntos de proteínas estruturais e enzimáticas. Por exemplo, apenas as células vermelhas do sangue podem sintetizar a hemoglobina, embora todas as células do organismo contenham as instruções de DNA para a síntese de hemoglobina. Apenas aproximadamente 7% das sequências de DNA em uma célula típica chegam a ser transcritas em RNAm para expressão final como proteínas específicas. O controle da expressão genética envolve proteínas reguladoras de genes que ativam (“ligam”) ou reprimem (“desligam”) os genes que codificam proteínas específicas em uma determinada célula. Vários segmentos de DNA que não codificam proteínas estruturais e enzimáticas codificam a síntese destas proteínas reguladoras. Os mecanismos moleculares pelos quais esses genes reguladores são por sua vez controlados nas células humanas estão apenas começando a ser compreendidos. Em alguns casos, as proteínas reguladoras são controladas por fatores de sinalização genética que causam uma atividade genética diferencial entre várias células para a realização de tarefas especializadas. O maior grupo de fatores de sinalização genética conhecidos em humanos são os hormônios. Alguns hormônios exercem efeitos homeostáticos, alterando seletivamente a taxa de transcrição dos genes que codificam as enzimas, que, por sua vez, são responsáveis pela catálise de reações reguladas pelo hormônio. Por exemplo, o hormônio cortisol promove a decomposição dos depósitos de gordura, estimulando a síntese da enzima que catalisa a conversão da gordura armazenada nos ácidos graxos constituintes. Em outros casos, a ação genética parece ser específica quanto ao tempo; ou seja, alguns genes são expressos apenas em um determinado estágio do desenvolvimento no indivíduo. Isto é especialmente importante durante o desenvolvimento embrionário. Divisão celular Quase todas as células do corpo humano podem reproduzir a si mesmas, um processo importante no crescimento, reposição e reparo dos tecidos. A velocidade com que as células se dividem é extremamente variável. Células de camadas mais profundas do revestimento intestinal dividemse em intervalos de alguns dias para repor as células continuamente descamadas da superfície de revestimento do lúmen do trato digestivo. Deste modo, todo o revestimento intestinal é substituído a cada três dias. No outro extremo estão as células nervosas, que perdem permanentemente a Apêndice C 27 Núcleo MITOSE Cromátides Replicação do DNA Interfase MEIOSE Cromossomos homólogos pareados Interfase Tétrade Replicação do DNA Prófase I Metáfase I Anáfase I • FIGURA C-10 Uma comparação dos eventos na mitose e na meiose. capacidade de divisão após determinado período do crescimento e desenvolvimento fetal. Consequentemente, quando as células nervosas são perdidas por traumas ou doenças, não podem ser substituídas. Entre estes dois extremos estão células que se dividem com pouca frequência, exceto quando necessário para substituir um tecido danificado ou destruído. Os fatores que controlam a taxa de divisão celular permanecem obscuros. Mitose Lembre-se de que a divisão celular envolve dois componentes: a divisão nuclear e a divisão citoplasmática (citocinese). A divisão nuclear nas células somáticas é realizada por mitose, na qual um conjunto completo de informações genéticas (ou seja, um número diploide de cromossomos) é distribuído para cada uma de duas novas células filhas. 28 Fisiologia humana Uma célula capaz de dividir-se alterna períodos de mitose e de não divisão. O intervalo de tempo entre as divisões celulares é conhecido como interfase. Uma vez que a mitose demora menos de uma hora até sua conclusão, a grande maioria das células no organismo está em interfase em dado momento. A replicação de DNA e o crescimento da célula ocorrem durante a interfase em preparação para a mitose. Embora a mitose seja um processo contínuo, ela exibe quatro fases distintas: prófase, metáfase, anáfase e telófase ( Figura C-10, topo). PRÓFASE · 1. A cromatina condensa-se e torna-se microscopicamente visível como cromossomos. As fitas duplicadas condensadas de DNA, conhecidas como cromátides irmãs, permanecem unidas no interior do cromossomo, em um ponto chamado centrômero ( Figura C-11). · Fuso Prófase Centríolo Metáfase Anáfase Telófase Metáfase II Anáfase II Telófase II Células filhas diploides Células filhas Telófase I Prófase II 2. As células contêm um par de centríolos, estruturas cilíndricas curtas que formam o fuso mitótico durante a divisão celular (veja no Capítulo 2, a Figura 2-19). O par de centríolos divide-se e os centríolos filhos movem-se para as extremidades opostas da célula, onde montarão entre eles um fuso mitótico composto de microtúbulos (veja p. 47 do livro). · 3. A membrana em torno do núcleo começa a se romper. METÁFASE 1. A membrana nuclear desaparece completamente. 2. Os 46 cromossomos, cada um consistindo em um par de cromátides irmãs, alinham-se na linha média, ou equador, da célula. Cada cromossomo é fixado ao fuso por meio de várias fibras do fuso que se estendem do centríolo até o centrômero do cromossomo. Células filhas haploides ANÁFASE 1. Os centrômeros são divididos, convertendo cada par de cromátides irmãs em dois cromossomos idênticos, que se separam e se movem para o lado oposto do fuso. Motores moleculares puxam os cromossomos ao longo das fibras do fuso para os polos (veja p. 43). 2. No final da anáfase, um conjunto idêntico de 46 cromossomos está presente em cada um dos polos, totalizando um valor temporário de 92 cromossomos na célula, que logo se dividirá. TELÓFASE 1. O citoplasma se divide pela formação e fortalecimento gradual de um anel contrátil de actina na linha média da célula, formando assim duas células filhas separadas, cada uma com Apêndice C 29 · troca física de material cromossômico entre cromátides não irmãs dentro de uma tétrade ( Figura C-12). Este processo produz novas combinações cromossômicas, contribuindo assim para a diversidade genética. Dr. Christine J. Harrison e S. Karger AG, Base 3. Durante a metáfase I, as 23 tétrades ficam alinhadas no equador. • FIGURA C-11 Eletromicrografia de varredura de cromossomos humanos de uma célula em divisão. Os cromossomos replicados aparecem como estruturas duplas, com cromátides irmãs idênticas unidas no meio por um centrômero comum. 4. Na anáfase I, cromossomos homólogos, cada um consistindo em um par de cromátides irmãs unidas no centrômero, separam-se e movem-se para polos opostos. Os cromossomos de origem materna e paterna migram para os polos opostos em agrupamentos aleatórios de um membro de cada par cromossômico, sem considerar a derivação original. Esta mistura genética fornece novas combinações inéditas de cromossomos. 5. Durante a telófase I, a célula divide-se em duas células. Cada célula contém 23 cromossomos, consistindo em duas cromátides irmãs. MEIOSE II 1. Após uma breve interfase, na qual não ocorre replicação adicional, os 23 cromossomos não pareados são alinhados no equador, os centrômeros se dividem e as cromátides irmãs separam-se pela primeira vez em cromossomos independentes, que se movem para polos opostos (prófase II-telófase II, na Figura C-10). · · um conjunto diploide completo de cromossomos (veja no Capítulo 2 a Figura 2-21a). 2. As fibras do fuso são desmontadas. 3. Os cromossomos desdobram-se até a forma de cromatina descondensada. 4. Uma membrana nuclear volta a ser formada em cada célula nova. A divisão celular está completa ao final da telófase. Cada uma das novas células entrará agora na interfase. Meiose A divisão nuclear, no caso especializado de células germinativas, é realizada pela meiose, na qual apenas metade do conjunto de informações genéticas (ou seja, um número haploide de cromossomos) é distribuída para cada célula filha. A meiose difere da mitose em vários aspectos importantes (veja Figura C-10). As células germinativas diploides especializadas sofrem uma replicação cromossômica seguida por duas divisões nucleares para produzir quatro células germinativas haploides. · MEIOSE I 1. Durante a prófase da primeira divisão meiótica (prófase I), os membros de cada par homólogo de cromossomos são alinhados lado a lado para formar uma tétrade, que é um grupo de quatro cromátides irmãs com duas cromátides idênticas em cada membro do par. 2. O processo de crossing over ocorre durante este período, quando a cópia materna e a cópia paterna de cada cromossomo são pareadas. O cruzamento, ou crossing over, envolve uma 30 Fisiologia humana 2. Durante a citocinese, cada uma das células filhas derivadas da primeira divisão meiótica forma duas novas células filhas. O resultado final consiste em quatro células filhas, cada uma contendo um conjunto haploide de cromossomos. A união de um espermatozoide haploide e um óvulo haploide resulta em um zigoto (óvulo fertilizado) que contém o número cromossômico diploide. O desenvolvimento de novos indivíduos multicelulares a partir do zigoto é realizado por mitose e diferenciação celular. Uma vez que o DNA em geral é fielmente replicado em sua totalidade a cada divisão mitótica, todas as células do corpo possuem um agregado idêntico de moléculas de DNA. Variações estruturais e funcionais entre os diferentes tipos celulares resultam da expressão genética diferenciada. Mutações Um número estimado de 1016 divisões celulares ocorre no organismo no decorrer da vida de uma pessoa para proporcionar crescimento, reparo e metabolismo celular normal. Uma vez que mais de três bilhões de nucleotídeos devem ser replicados durante cada divisão celular, não é de se admirar que ocorram “erros de cópia” ocasionalmente. Qualquer alteração na sequência do DNA é conhecida como mutação de ponto (genética). Uma mutação de ponto ocorre quando uma base é inadvertidamente substituída, acrescentada ou excluída durante o processo de replicação. Quando uma base é inserida na posição errada durante a replicação do DNA, o erro muitas vezes pode ser corrigido por um sistema de “revisão” embutido. Enzimas reparadoras retornam a fita recém replicada ao segmento defeituoso, e então o pareamento de bases normais é reiniciado para sintetizar novamente a fita corrigida. Contudo, nem todos os erros podem ser corrigidos. Centrômero (a) Formação da tétrade (b) Crossing over (c) Novas combinações de material genético • FIGURA C-12 Cruzamento (crossing over). (a) Durante a prófase I da meiose, cada par homólogo de cromossomos é alinhado lado a lado para formar uma tétrade. (b) A troca física do material cromossômico ocorre entre cromátides não irmãs. (c) Como resultado deste cruzamento, novas combinações de material genético são formadas dentro dos cromossomos. As mutações podem surgir espontaneamente, ao acaso, ou podem ser induzidas por mutagênicos, que são fatores que aumentam a taxa de ocorrência de mutações. Os mutagênicos incluem diversos agentes químicos, além de radiação ionizante, como os raios X e a radiação atômica. Os mutagênicos produzem as mutações quimicamente, alterando o código de bases de DNA por uma variedade de mecanismos ou pela interferência sobre as enzimas de reparo, de modo que segmentos de bases anormais não podem ser removidos. Dependendo da localização e da natureza de uma alteração no código genético, uma determinada mutação pode (1) não ter efeito perceptível, se não alterar uma região crítica de uma proteína celular; (2) alterar adversamente a função celular, se prejudicar a função de uma proteína crucial; (3) ser incompatível com a vida da célula, neste caso a célula morre e a mutação é com ela perdida; ou (4) em casos raros, mostrar-se benéfica, se resultar em uma proteína estrutural ou enzimática mais eficiente. Se uma mutação ocorrer em uma célula corporal (uma mutação somática), o resultado se refletirá como uma alteração em todas as cópias futuras da célula no indivíduo afetado, mas que não será perpetuado além da vida do indivíduo. Se, por outro lado, uma mutação ocorrer em uma célula produtora de espermatozoides ou óvulos (mutação de células germinativas), a alteração genética pode ser passada para as gerações seguintes. Na maioria dos casos, o câncer resulta de múltiplas mutações somáticas que ocorrem ao longo do tempo nos segmentos de DNA conhecidos como proto-oncogenes. Os proto-oncogenes são genes normais cujos produtos codificados são importantes para a regulação do crescimento e da divisão celular. Estes genes têm o potencial de se transformar em oncogenes (“genes do câncer”) superzelosos, que induzem a proliferação celular descontrolada característica do câncer. Os proto-oncogenes podem causar câncer como resultado de várias mutações sequenciais no próprio gene ou por alterações em regiões adjacentes que regulem os proto-oncogenes. Menos frequentemente, vírus tumorais são incorporados ao DNA e agem como oncogenes. Alternativamente, o câncer pode surgir de mutações que desabilitem os genes supressores de tumor, que normalmente restringem a proliferação celular via um sistema de checks and balances (freios e contrapesos). Apêndice C 31 apên dic e D Princípios do raciocínio quantitativo por Kim E. Cooper, Midwestern University, e John D. Nagy, Scottsdale Community College Introdução Como pensar sobre uma equação Historicamente, quando um ramo da ciência amadurece, ele, em geral, se torna mais preciso e, normalmente, mais quantitativo. Esta tendência está se tornando cada vez mais real na biologia e, especialmente, na fisiologia. Entretanto, a maioria dos estudantes não tem familiaridade com o raciocínio quantitativo. Os estudantes são normalmente bastante capazes de realizar manipulações mecânicas da matemática, mas têm problemas em traduzi-las em palavras, conceitos e equações. Este apêndice tem o objetivo de mostrar como pode ser simples e cômodo trabalhar com equações. Nesta seção, trataremos do primeiro, e frequentemente ignorado, passo no raciocínio quantitativo. Como começar a pensar sobre uma nova equação a nós apresentada? Começamos nos familiarizando com o “significado” dessa equação. Este passo é absolutamente necessário se quisermos utilizar a equação adequadamente. Como exemplo específico, considere a equação de Nernst (veja a p. 79 do livro) para o potássio. Aqui estão formas possíveis de encontrá-la, extraídas de diversos livros, e todas dizem essencialmente a mesma coisa: Por que as equações são úteis? Muito do que fazemos em ciência envolve o estabelecimento de relações funcionais entre variáveis de interesse (por exemplo, pressão sanguínea e frequência cardíaca, taxa de transporte e gradiente de concentração). Equações são simplesmente uma forma compacta e exata de expressar tais relações. Assim, as ferramentas da matemática permitem que tiremos conclusões sistemáticas dessas relações. A matemática é um conjunto muito poderoso de ferramentas ou, mais geralmente, uma maneira muito poderosa de se pensar. A matemática permite que se pense com extrema precisão e consequente clareza e sobre relações complexas. Equações e noções quantitativas são as chaves desta precisão. Por exemplo, uma comparação quantitativa das previsões de uma teoria em relação aos resultados da medição forma a base da estatística e de boa parte do teste de hipóteses sobre o qual a ciência se baseia. Uma conclusão científica sem quantificação adequada e respaldo estatístico pode ser pouco mais do que uma impressão ou uma opinião. Pode parecer estranho dizer que a matemática permite que se possa pensar mais claramente sobre ideias complexas. Pessoas não familiarizadas com o raciocínio matemático frequentemente reclamam que mesmo relações simples produzem equações complicadas e que relações complexas são matematicamente intratáveis. Certamente, muitos conceitos básicos exigem considerável especialização matemática para serem tratados de forma adequada, mas esses conceitos básicos, na verdade, não são nada simples. Mais comumente, entretanto, muitas equações simples são vistas como complexas porque muitos estudantes foram mal treinados sobre como pensar em equações. 32 Fisiologia humana Ek+ = (RT/zF) log {[K+]ext/[K+]int} Ek+ = (RT/zF) 2.303 log {[K+]ext/[K+]int} Ek+ = (61 mV/z) log {[K+]ext/[K+]int} Para muitos estudantes, essas equações podem parecer séries de símbolos sem significado. O que essas equações estão tentando nos dizer? O que representam? Os quatro passos a seguir poderão ajudá-lo a ficar à vontade com qualquer nova equação. Tente-os com a equação de Nernst. 1. Esteja certo de que você pode definir os símbolos e atribuir-lhes dimensões e unidades. Verifique a equação quanto à consistência dimensional. Um dos primeiros passos é descobrir quais símbolos representam as variáveis de interesse e quais são constantes simples. Neste caso, todos os símbolos são constantes, exceto dois. EK+ é o potencial de Nernst (equilíbrio) para o potássio. Ele representa o gradiente de concentração (força de difusão) em um mol de íons potássio. EK+ expressa dimensões de voltagem e normalmente é dado em unidades de mV. Esta dimensão é utilizada de forma que o gradiente de concentração seja expresso nas mesmas dimensões da outra força que atua sobre os íons, isto é, o gradiente elétrico. Utilizar as mesmas dimensões possibilita a comparação das duas forças. [K+] representa a concentração de potássio. Com o subscrito “ext” (externo), este símbolo refere-se à concentração de potássio fora da célula. Com o subscrito “int” (interno), este símbolo refere-se à concentração de potássio dentro da célula. [K+] expressa dimensões de concentração e normalmente é dado em unidades de mM (milimolares; milimols/litro). 2. Identifique as variáveis dependentes e independentes. Tente encontrar valores normais e faixas para as variáveis. Antes de continuarmos, devemos definir variáveis “dependentes” e “independentes”. Lembre que as equações representam relações entre variáveis. Sempre que ouvir a palavra relação, pense em um gráfico, como na Figura D-1, por exemplo. Gráficos são frequentemente uma boa forma de representar relações e, portanto, equações. Este gráfico diz que o valor da variável 2 depende do valor da variável 1. Assim, para qualquer valor da variável 1, o valor correspondente para a variável 2 pode ser determinado a partir do gráfico. Em outras palavras, a variável 1 determina o valor da variável 2. Como a variável 2 depende da variável 1, chamamos a variável 2 de variável dependente. A variável 1, por sua vez, é independente da variável 2, portanto, a chamamos de variável independente. Pode haver qualquer número de variáveis dependentes e independentes. Como se determina quais variáveis são dependentes e quais são independentes? A resposta normalmente depende de causas e efeitos: “efeitos” são variáveis dependentes e “causas” são independentes. Por exemplo, sabemos (veja o Capítulo 10) que a pressão arterial média (PAM) é o produto do débito cardíaco (DC) multiplicado pela resistência periférica total (RPT); isto é, · PAM = DC × RPT PAM fica do lado esquerdo desta equação porque pensamos na pressão arterial média como um resultado do débito cardíaco vezes a resistência periférica total. Ou, falando de outra forma, a pressão arterial média é uma função do débito cardíaco e da resistência periférica total. Como relação causa-efeito, parece retrógrado pensar na pressão arterial média como a “causa” de o débito cardíaco ter aquele valor. Portanto, PAM é o efeito, a variável dependente, e a colocamos no lado esquerdo do símbolo da equação. De maneira inversa, DC e RPT são causas, as variáveis independentes, e são colocadas à direita. No exemplo da equação de Nernst, as variáveis independentes são as concentrações. A variável dependente é o potencial de Nernst, porque pensamos no potencial como sendo o resultado das concentrações de íons. Também sabemos que EK+ é de cerca de –90 mV, e [K+]ext e [K+]int têm cerca de 5 mM e 150 mM, respectivamente. 3. Identifique as constantes e saiba seus valores numéricos: R é a constante do gás. Ela tem dimensões de energia por mol por grau de temperatura e o valor de 8,31 joules/ kelvin ∙ mol. Também é conveniente observar que um joule = volt × Coulomb. T é a temperatura, sendo que o valor da temperatura é dada em unidades de kelvins. A temperatura corporal normal é de aproximadamente 37°C [= 308 kelvins (K)]. z é a valência do íon. Valência é a carga de um íon, incluindo seu sinal. Para o potássio, z = +1. F é a constante de Faraday, que tem dimensões de carga por mol, unidades de Coulomb por mol e um valor de 96.500 C/mol. ■■ ■■ ■■ ■■ Consulte as equações de Nernst dadas na página anterior. Observe que as constantes recém-definidas aparecem nas duas primeiras equações, mas não na terceira. Na terceira equação, a quantidade RT/F já foi calculada, da seguinte forma: RT/F = [(8,31 V · C/K · mol)(308K)]/(96.500 C/mol) = 26,5 mV Multiplicamos este valor por 2,303 para converter o logaritmo natural no logaritmo base 10. Note que 26,5 mV × 2,303 = 61 mV. 4. Descreva a equação em palavras. Resuma-a em poucas frases, de forma que outros possam também entender do que se trata. Não diga apenas os nomes dos símbolos. Vocalizar simplesmente os nomes dos símbolos seria o equivalente a dizer o seguinte: “O potencial de Nernst é dado por uma constante multiplicada pelo logaritmo da proporção das concentrações de íons”. Isso certamente é verdadeiro, mas não ajuda em nada nossa intuição. Uma afirmação preferível seria: “A equação de Nernst nos permite calcular a força que impulsiona os íons para dentro ou para fora de uma célula, via difusão”. Isso é valioso, porque podemos comparar esta força àquela que move os íons para dentro e para fora por meio da voltagem de membrana, determinar qual é a maior e, assim, prever em qual direção os íons efetivamente se moverão. A força é expressa em unidades elétricas para que possamos compará-la diretamente com a voltagem de membrana. As constantes são convertidas da concentração para unidades elétricas. Apenas quando se compreende o que uma equação significa é que ela pode ser utilizada para responder questões. A seção a seguir dá algumas orientações para este próximo passo. Como pensar com uma equação 9DULiYHO Para utilizar uma equação que ajude seu raciocínio, é necessário desenvolver algumas habilidades básicas. Felizmente, essas habilidades não são difíceis de aprender. 1. Tenha certeza de que você conheça as regras algébricas para manipular as variáveis dentro de qualquer tipo de função envolvida (como , exp ou log). 9DULiYHO • Figura D-1 No caso da equação de Nernst, a função complicada é o logaritmo. Um livro universitário de álgebra deve ser consultado em caso de confusão sobre as regras de como se trabalhar com logs ou qualquer outra função. Por exemplo, é útil saber que log {A} = –log {1/A} Apêndice D 33 e que a operação de log é desfeita ao elevá-la à décima potência; ou seja, 4. Seja capaz de combinar várias equações para encontrar novas relações. 10log{A} = A Combinar informações separadas é sempre útil. Na verdade, alguns cientistas argumentam que esta atividade é tudo o que os cientistas fazem. Para integrar o conhecimento por conta própria, as diversas relações aprendidas devem ser combinadas de novas e diferentes maneiras, o que permitirá resolver problemas cada vez mais complexos. Como exemplo, considere a seguinte relação: 2. Seja capaz de resolver para qualquer variável em termos das outras. Dadas apenas três variáveis (EK+, [K+]int, [K+]ext), somente alguns tipos de perguntas podem ser feitas. Duas das três variáveis deverão ser dadas, e a terceira deverá ser resolvida. Se forem dadas as duas concentrações, a fórmula já está pronta para determinar-se o potencial de Nernst. No entanto, se o potencial de Nernst e uma concentração forem dados, será possível encontrar a outra concentração. Veja se consegue fazer isso e obter as duas seguintes equações: [K+]ext = [K+]int10(EK+/61 mV) [K+]int = [K+]ext10(–EK+/61 mV) 3. Consiga elaborar, pelo menos aproximadamente, a dependência de qualquer variável em relação a qualquer outra variável. A habilidade de fazer isso é incrivelmente valiosa. A elaboração ajuda a desenvolver uma visão sobre equações e a compreender o que significa dada equação. Portanto, a elaboração permite entender a solução, bem como resolver o problema. Se esta técnica for aplicada de forma consistente, lidar com equações se torna uma tarefa muito mais simples do que parece. Além disso, tenha certeza de que consegue relacionar a elaboração com as medições experimentais e situações fisiológicas. Por exemplo, podemos estabelecer as relações entre o potencial de Nernst para o potássio e a concentração externa de íons potássio prevista pelas equações como na Figura D-2. Esta elaboração deixa claro que o potencial de Nernst, que pode ser medido fisiologicamente, deve diminuir de maneira linear à medida que o log [K+]ext aumenta, o que pode ser controlado experimentalmente. Portanto, esta elaboração sugere um experimento: varie [K+]ext. Se EK+ não diminuir linearmente com o log [K+]ext crescente, houve uma falha na compreensão. A equação de Nernst não descreveria a situação real como pensamos que deveria. Avanços científicos quase sempre são anunciados por tais contradições. Esta equação descreve o número de íons potássio que flui por uma membrana se um gradiente de concentração (EK+) e um gradiente elétrico (Vm) estão presentes. Esta equação pode ser combinada com a equação de Nernst para o potássio para responder uma pergunta como a seguinte: “Suponha que Vm, GK+ e [K+]int sejam fixos. Qual deveria ser a concentração externa de íons potássio de forma que não ocorresse qualquer fluxo líquido de íons potássio ao longo da membrana?” Um fluxo líquido zero significa que IK+ = 0, mas se GK+ > 0, IK+ = 0 apenas quando a voltagem da membrana é igual ao potencial de Nernst (Vm = EK+). Então, para responder à pergunta, definimos EK+ = Vm na equação de Nernst e a resolvemos para [K+]ext. 5. Saiba as hipóteses subjacentes da equação e os limites de validade. Cada equação vem de alguma teoria ou conjunto de observações subjacentes e, portanto, tem uma gama um tanto limitada de validade, fiando-se em determinadas hipóteses. Não compreender este simples ponto frequentemente leva estudantes a aplicar as equações fora de seu campo de aplicabilidade. Nestes casos, embora a conta seja feita corretamente, os resultados serão incorretos. No caso da equação de Nernst, as coisas são muito simples. Esta equação deriva de uma poderosa teoria conhecida como termodinâmica do equilíbrio e, assim, tem uma ampla aplicabilidade. Como outro exemplo, considere a cinética da enzima. A taxa com que uma enzima catalisa uma reação (v) está relacionada à concentração de substrato na qual a enzima trabalha ([S]) por uma equação denominada “relação de Michaelis-Menton”. O gráfico desta relação pode ser visto na Figura D-3. · v (. · IK+ = GK+ (Vm – EK+) ORJ>.@ H[W • Figura D-2 34 Fisiologia humana [S] • Figura D-3 Entretanto, esta relação entre velocidade de reação e concentração de substrato não é verdadeira para algumas enzimas reais, como a lactato desidrogenase. Para esta enzima, a relação entre velocidade de reação e concentração de substrato é apresentada na Figura D-4. Frente a altas concentrações de substrato, a enzima é, na verdade, inibida pelo substrato em excesso. Para tais enzimas, a teoria de Michaelis-Menton, que funciona bem em baixas [S], é inválida em [S] maiores. v · Uma abordagem à resolução de problemas O passo final é aplicar essas habilidades para se resolver um problema. Como exemplo, calcule a concentração de potássio que deve existir dentro de uma célula se EK+ = –95 mV e se o fluido intersticial tem concentração de potássio de 4 mM. Tente utilizar o seguinte procedimento para solucionar este problema: 1. Visualize claramente o que está sendo pedido, dizendo-o em voz alta ou por escrito. A questão pede a concentração de potássio na célula, isto é, [K+]int. 2. Determine o que é preciso saber para responder à pergunta. Para responder, são necessários EK+ e [K+]ext. 3. Determine quais informações foram dadas. São suficientes? Outros fatos ou relações relevantes não foram declarados no problema? Especificamente, seria necessária alguma outra equação? EK+ é dado explicitamente no problema, mas é preciso traduzir este dado em palavras para perceber que [K+]ext = 4 mM. 4. Manipule algebricamente a equação para que a incógnita fique do lado esquerdo e tudo o mais fique do lado direito. Agora, resolveremos a equação de Nernst para [K+]int. Isso foi feito no Apêndice A: [K+]int = [K+]ext10(–EK+/61 mV) Substituindo pelos valores dados, obtemos: [K+]int = 4 mM 10(95 mV/61 mV) = 4 mM 10(1,56) = 4 mM 10(36,3) = 145 mM [S] • Figura D-4 5. A resposta está correta em termos dimensionais? Não pule este passo. Ele revelará imediatamente se algo estiver errado. Sim, a resposta está em mM – a dimensão e a unidade adequadas. 6. A resposta faz sentido? Sim, o valor não é alarmantemente alto ou baixo. Além disso, como o íon potássio é carregado negativamente, se a concentração de potássio fora da célula for inferior à concentração dentro da célula, o interior da célula deveria ser negativo em equilíbrio passivo, e isso efetivamente ocorreu. Aplique a abordagem à solução de problemas que acabamos de descrever às perguntas quantitativas nos capítulos. Quando começar, aplique esta abordagem de maneira formal e cuidadosa. Por exemplo, revise cada passo e escreva tudo da forma como fizemos para a equação de Nernst. Depois de um tempo, não é necessário ser tão formal. Além disso, à medida que progredir, você desenvolverá um estilo próprio na abordagem à solução de problemas. Prepare-se para dedicar algum tempo e paciência a alguns desses problemas. Nem todas as respostas serão imediatamente aparentes. Isso é normal. Se encontrar dificuldades, relaxe, volte a este apêndice para orientação e trabalhe novamente no problema com redobrada atenção. Não vá imediatamente para as respostas se tiver dificuldades com um problema. Isso pode diminuir a frustração, mas esta forma de “cola” elimina a chance de se obterem valiosas experiências de aprendizado. Ademais, ser capaz de resolver problemas desafiadores tem suas próprias recompensas. Apêndice D 35 apên dic e Referências à fisiologia do exercício no texto E Quadros “Detalhes da Fisiologia do Exercício” por capítulo Capítulo 1 Capítulo 2 Capítulo 3 Capítulo 5 Capítulo 6 Capítulo 7 Capítulo 8 Capítulo 9 Capítulo 10 Capítulo 11 Capítulo 12 Capítulo 13 Capítulo 14 Capítulo 15 Capítulo 16 Capítulo 17 Capítulo 18 Capítulo 19 Capítulo 20 36 Introdução à Fisiologia e à Homeostase O que é fisiologia do exercício? p. 11 Fisiologia Celular Exercício aeróbico: quanto e para quê? p. 39 Membrana Plasmática e Potencial de Membrana Os músculos em exercício são “formiguinhas” p. 70 Sistema Nervoso Central Mergulho do cisne ou mergulho de barriga: é tudo questão de controle do SNC p. 177 Sistema Nervoso Periférico: Divisão Aferente; Sentidos Especiais Arquear as costas e agachar antes de um salto: o que esses atos têm em comum? p. 188 Sistema Nervoso Periférico: Divisão Eferente Perda de massa muscular: uma complicação do voo espacial p. 251 Fisiologia Muscular Atletas que usam esteroides para ganhar vantagem competitiva são realmente vencedores ou perdedores? p. 282 Fisiologia Cardíaca O que, quem e onde dos testes de esforço p. 320 Vasos Sanguíneos e Pressão Sanguínea Altos e baixos da hipertensão e exercício p. 383 Sangue Doping do sangue: mais de algo bom é melhor? p. 396 Defesas do Organismo Exercícios ajudam ou atrapalham a defesa imunológica? p. 451 Sistema Respiratório Como descobrir quanto trabalho se consegue realizar p. 506 Sistema Urinário Quando a presença de proteína na urina não indica doença renal p. 550 Fluidos e Equilíbrio Ácido-Base Uma colisão potencialmente fatal: quando músculos em exercício e mecanismos de resfriamento competem por um volume insuficiente de plasma p. 563 Sistema Digestório Refeição pré-jogos: o que é e o que não é permitido? p. 604 Equilíbrio Energético e Regulagem de Temperatura O que as balanças não contam p. 649 Princípios de Endocrinologia; Glândulas Endócrinas Centrais Resposta endócrina ao desafio de combinar calor e pés em marcha p. 672 Glândulas Endócrinas Periféricas Osteoporose: a maldição dos ossos quebradiços p. 730–731 Sistema Reprodutivo Irregularidades menstruais: a ausência de ciclos em ciclistas e outras atletas do sexo feminino p. 777 Fisiologia humana Referências a exercício por tópico Exercício e aclimatação a ambientes quentes 563 e reflexos adquiridos 177 aeróbico versus anaeróbico 37, 39, 278, 506 e asma 474 e aterosclerose 336 e pseudonefrite atlética 550 e doping do sangue 396 respostas cardiovasculares durante o 11, 323, 325, 327, 328, 330, 344, 353, 354, 355, 358, 373, 375, 380, 381, 383, 521, 563, 672 e córtex cerebral em ações de estímulo de ação posterior 380, 504 alterações durante o 11, 380, 381, 504–505 e doença pulmonar obstrutiva crônica 479 controle de ventilação durante o 504 e creatina fosfato 276 e suplementos de creatina 276 distribuição do débito cardíaco durante o 353, 355 efeito do, na temperatura corporal 504, 651, 657 na densidade óssea 729, 731 na pressão sanguínea 380, 381, 383, 521 na produção de dióxido de carbono 62, 497, 504, 505 no fluxo de sangue coronário 333, 335 no desenvolvimento de circulação colateral no coração 335 no gerenciamento da diabetes mellitus 70, 717, 720 nas endorfinas 194 no conteúdo de gordura no corpo 649, 682 na filtração glomerular 521 na absorção de glicose pelos músculos em exercício 70, 716, 720 no GLUT-4 716 na secreção do hormônio do crescimento 682 nos níveis de colesterol HDL 336 no coração 11, 323, 325, 327, 328, 330, 332, 359, 373, 380, 381 na defesa imunológica 451 na secreção de insulina 70, 718 no metabolismo intermediário 725, 726 na pressão intrapleural 474 na função renal 550, 672 nos ciclos menstruais 777 na taxa metabólica 642, 643 na massa muscular 251, 281 na liberação de oxigênio pela hemoglobina 492, 494 no uso de oxigênio 488, 489, 490, 492, 504, 505 nos níveis de glicose no plasma 70, 604, 718, 720 no volume plasmático 563, 672 na área superficial pulmonar 489 nos locais receptores de insulina 70, 666 no sistema respiratório 375, 472, 474, 475, 479, 483, 488, 489, 497, 500, 504, 505, 507 na atividade simpática 330, 358, 373, 504, 718 no tempo para trocas gasosas no pulmão 489 na secreção de vasopressina 672 no retorno venoso 328, 372, 373, 375, 381 na ventilação 504, 505 no esforço de respirar 479 de resistência 278 e gasto de energia 642 energia para 276–278 e consumo excessivo de oxigênio pós-exercício 279 e centros de exercício no cérebro 380 e recrutamento de transportador de glicose 70, 716 e glicólise 39, 278 produção de calor durante o 10, 279, 494, 504, 563, 642, 651, 657, 672 e reflexo de Hering-Breuer 500 e lipoproteínas de alta densidade 336 de alta intensidade 278 em ambientes quentes 563, 672 e hiperpneia 497 e hipertensão 383 hipertermia em 504, 651, 657 e produção de lactato 37, 278, 494, 572, 574, 584 e consumo máximo de oxigênio 490, 506 e acidose metabólica 278, 584 adaptação dos músculos ao 281 e fadiga muscular 278 e tipos de fibra muscular 280 e hipertrofia muscular 281 e dor muscular 278 na obesidade, falta de 648 e fosforilação oxidativa 39, 276 disponibilidade de oxigênio durante 479, 489, 492, 494, 504–505 e déficit de oxigênio 279 PO2, PCO2 e H+ durante 497, 504, 505 e refeição pré-jogo 604 recuperação pós- 279 e bomba respiratória 375 e “adrenalina do corredor” 194 e bomba do músculo esquelético 374 e estresse 707 e testes de esforço 320 e taxa de suor 563, 566, 653, 672 e regulação de temperatura 279, 494, 504, 563, 642, 651, 657, 672 e VO2 máx 506 e perda de peso 649 Fisiologia do exercício 11, 320, 506 Apêndice E 37 apên dic e F Respostas às perguntas objetivas, exercícios quantitativos, pontos a ponderar e considerações clínicas dos finais de capítulo Capítulo 1 Introdução à fisiologia e à homeostase Perguntas objetivas 1. e 2. c 3. b 4. V 5. V 6. F 7. tecido muscular, tecido nervoso, tecido epitelial, tecido conectivo 8. secreção 9. intrínseco, extrínseco 10. exócrino, endócrino, hormônios 11. 1.d, 2.g, 3.c, 4.f, 5.j, 6.b, 7.e, 8.h, 9.a, 10.i Pontos a ponderar 1. O sistema respiratório elimina o CO2 produzido internamente para o ambiente externo. Uma queda de CO2 no ambiente interno causa uma redução na atividade respiratória (ou seja, respiração mais lenta e superficial) para que o CO2 produzido dentro do organismo possa acumular-se em vez de ser eliminado tão rapidamente quanto o normal para o ambiente externo. O CO2 retido no organismo aumenta os níveis de CO2 no ambiente interno de volta ao normal. 2. (b) (c) (b) 3. b 4. sistema de defesa imunológica 5. Quando uma pessoa realiza exercícios extenuantes, o centro regulador de temperatura no cérebro causará uma dilatação dos vasos sanguíneos da pele. O maior fluxo de sangue através da pele levará o calor adicional gerado pelos músculos em contração para a superfície do corpo, onde pode ser perdido para o ambiente ao redor. Consideração clínica A perda de fluidos ameaça a manutenção de volumes adequados de plasma e da pressão sanguínea. A perda de sucos digestivos ácidos ameaça a manutenção do pH adequado no ambiente fluido interno. O sistema urinário ajudará a restaurar o volume plasmático e 38 Fisiologia humana o pH adequados ao reduzir a quantidade de água e ácido eliminada na urina. O sistema respiratório ajudará a restaurar o pH ao ajustar a taxa de remoção de CO2 formador de ácido. Ajustes serão feitos no sistema circulatório para ajudar a manter a pressão sanguínea apesar da perda de fluido. O aumento da sede estimulará a maior ingestão de fluidos para ajudar a restaurar o volume plasmático. Tais mudanças compensatórias nos sistemas urinário, respiratório e circulatório, além da sensação de sede, serão reguladas pelos dois sistemas reguladores, os sistemas nervoso e endócrino. Ademais, o sistema endócrino fará ajustes internos para ajudar a manter a concentração de nutrientes no ambiente interno embora nenhum nutriente novo esteja sendo absorvido pelo sistema digestório. Capítulo 2 Fisiologia celular Perguntas objetivas 1. membrana plasmática 2. organelas, citosol, citoesqueleto 3. ácido desoxirribonucléico (DNA), núcleo 4. oxidativa 5. retículo endoplasmático, complexo de Golgi 6. adenosina tri-fosfato (ATP) 7. F 8. F 9. 1.b, 2.b, 3.a, 4.b 10. 1.a, 2.a, 3.b, 4.c, 5.c, 6.c, 7.b, 8.c, 9.c Exercícios quantitativos 1. b 2. 24 mols de O2/dia × 6 mols de ATP/mol O2 = 144 mols de ATP/dia 144 mols de ATP/dia × 507 g ATP/mol = 73.000 g ATP/dia 1.000 g/2,2 libra = 73.000 g/x libra 1.000 x = 160.600 x = aproximadamente 160 libras. 3. 144 mol/dia (7.300 cal/mol) = 1.051.200 cal/dia (1.051 kcal/dia) 4. Por volta de 2/3 da água no organismo é intracelular. Como a massa de uma pessoa é cerca de 60% de água, para uma pessoa de 150 libras (68 kg), 68 kg(0,6)(2/3) = 27,2 kg é a massa de água. Presuma que 1 ml de água corporal pese 1 g. Então, o volume total nas células da pessoa é de cerca de 27,2 litros. O volume de uma célula média é 4 π(1×10−3 cm)3 ≈ 4,2 × 10–9 cm3 3 = 4,2 × 10-9 cm3 Portanto, o número de células em uma pessoa de 68 kg é de aproximadamente 27,2 litros 1000 ml 1 célula 1 litro 4,2 × 10−9 ml = 6.476 × 1012 células 5. 150 mg 1 ml =10.000 ml (10 litros) 0,015 mg Pontos a ponderar 1. As células principais têm um amplo retículo endoplasmático rugoso, sendo esta organela responsável por sintetizar o produto secretório da proteína dessas células, ou seja, pepsinogênio. Como as células parietais não secretam um produto proteico no exterior das células, não precisam de um retículo endoplasmático rugoso extenso. 2. Com o envenenamento por cianeto, as atividades celulares que dependem do gasto de ATP, como a síntese de novos compostos químicos, o transporte por membranas e o trabalho mecânico, não poderiam continuar. A resultante incapacidade de o coração bombear sangue e a falha dos músculos respiratórios em realizar a respiração resultaria na morte iminente. ciente, limitando, assim, o exercício aeróbico a breves períodos de tempo antes que as fontes de energia sejam esgotadas. 5. A pele. A queratina mutante enfraquece as células da pele de pacientes com epidermólise bolhosa fazendo com que a pele forme bolhas em reação a até mesmo toques leves. Consideração clínica Algumas formas hereditárias de esterilidade masculina envolvendo espermatozoides sem motilidade foram atribuidas a defeitos nos componentes citoesqueléticos dos flagelos dos espermatozoides. As mesmas pessoas normalmente também têm longos históricos de doenças recorrentes no trato respiratório, porque os mesmos tipos de defeitos estão presentes nos cílios respiratórios, que não conseguem eliminar muco e partículas inaladas do sistema respiratório. Capítulo 3 Membrana plasmática e potencial de membrana Perguntas objetivas 1. V 2. V 3. V 4. V 5. 1.b, 2.b, 3.b, 4.c, 5.a, 6.a, 7.b, 8.a 6. 1.b, 2.a, 3.a, 4.b, 5.a, 6.b, 7.a 7. 1.c, 2.a, 3.b, 4.b, 5.c, 6.a, 7.a, 8.c, 9.b Exercícios quantitativos E= a. b. 61 mV log 110 × 10 61 mV 1 × 10−3 log = +122 mV 2 100 × 10−9 −1 10 × 10 2. Ix = Gx (Vm – Ex) ENa+ = 61 mV log 3. catalase 4. A ATP é necessária para a contração muscular. Os músculos conseguem armazenar suprimentos limitados de combustível nutriente para uso na geração de ATP. Durante o exercício anaeróbico, os músculos geram ATP a partir desses estoques de nutrientes através da glicólise, que produz duas moléculas de ATP por molécula de glicose processada. Durante o exercício aeróbico, os músculos podem gerar ATP através da fosforilação oxidativa, que produz 32 moléculas de ATP por molécula de glicose processada. Como a glicólise gera ATP de combustíveis nutrientes de maneira ineficiente, esgotam-se rapidamente os estoques limitados de combustível do músculo e a ATP não pode mais ser produzida para sustentar a atividade muscular contrátil. O exercício aeróbico, por sua vez, pode ser sustentado por períodos prolongados. A fosforilação oxidativa não apenas utiliza bem menos combustível nutriente para gerar ATP, mas pode ser sustentada pelos nutrientes fornecidos aos músculos através do sangue, em vez de fiar-se no combustível armazenado na musculatura. O exercício aeróbico intenso ultrapassa a capacidade de o sangue fornecer suprimentos ao músculo, portanto, o músculo dependerá do combustível limitado e da glicólise inefi- 61 mV C log o z Ci 1. −3 −3 = −63,5 mV 145 mM = 60,1 mV 15 mM a. = 1 ns (–70 mV – 60,1 mV) = 1 ns (–130 mV) = – 130 pA (A = amperes) b. Entrando c. Com gradiente de concentração; com gradiente elétrico 3. Vm = 61 log PK + [K + ]o + PNa + [Na + ]o PK + [K + ]i + PNa + [Na + ]i = 61 log (1)(10) + (0,04 )(150) (1)(150) + (0,04 )(15) = 61 log = 61 log 0,1062 10 + 6 150 + 0,6 Como o log de 0,106 é –0,974 Vm = 61 (–0,974) = –59 mV Apêndice F 39 Portanto, o potencial de membrana em repouso é menor que o normal (isto é, levemente despolarizado em relação ao normal). Pontos a ponderar 1. c. À medida que Na+ vai do Lado 1 ao Lado 2 em favor do gradiente de concentração, Cl– continua no Lado 1, incapaz de penetrar na membrana. A separação resultante de cargas produz um potencial de membrana negativo no Lado 1, devido aos íons cloreto em desequilíbrio, e positivo no Lado 2, devido aos íons sódio em desequilíbrio. O sódio só continua a mover-se para o Lado 2 quando o gradiente de concentração for dissipado devido ao desenvolvimento de um gradiente elétrico oposto. 2. A osmolaridade refere-se à concentração de todas as partículas em uma solução, penetrantes e não penetrantes, mas apenas solutos não penetrantes contribuem para a tonicidade de uma solução. Portanto, uma solução com uma mistura de solutos penetrantes e não penetrantes pode ter osmolaridade de 300 mOsm, a mesma do ICF, mas ser hipotônica para as células, porque a concentração de solução dos solutos não penetrantes é inferior à concentração de solutos não penetrantes dentro das células. Toda a osmolaridade do ICF a 300 mOsm é atribuível a solutos não penetrantes. 3. Mais positivo. Como o gradiente eletroquímico para Na+ é para dentro, o potencial de membrana se tornaria mais positivo como resultado de um maior influxo de Na+ para dentro da célula se a membrana fosse mais permeável a Na+ do que a K+ (na verdade, isso é o que acontece durante a fase ascendente de um potencial de ação assim que o potencial de limiar é atingido; veja o Capítulo 4). 4. d. Transporte ativo. A estabilização da curva indica a saturação de uma molécula transportadora, portanto, o transporte mediado por transportadora está envolvido. O gráfico indica que o transporte ativo está sendo utilizado em vez da difusão facilitada, porque a concentração da substância no fluido intracelular é maior que a concentração no fluido extracelular em todos os pontos até depois do máximo de transporte ser atingido. Assim, a substância está sendo movida contra o gradiente de concentração, portanto, o transporte ativo deve ser o método utilizado. Consideração clínica À medida que Cl– é secretado pelas células intestinais no lúmen do trato intestinal, o Na+ segue passivamente ao longo do gradiente elétrico estabelecido. A água acompanha passivamente esta secreção de sal (Na+ e Cl–) por osmose. A toxina produzida pelos patógenos do cólera evita a desativação normal do mecanismo (via cAMP) que abre os canais de Cl– nas membranas luminais das células intestinais. A maior secreção contínua de Cl– e a secreção subsequente induzida e passivamente de Na+ e água são responsáveis pela diarreia grave que caracteriza o cólera. Capítulo 4 Princípios da comunicação neural e hormonal Perguntas objetivas 1. V 2. F 3. F 4. F 5. F 6. V 7. filamento do axônio 8. período refratário 9. sinapse 10. soma espacial 11. soma temporal 12. convergência, divergência 13. proteína G 14. canal receptor, enzima receptora, receptor acoplado à proteína G 15. 1.b, 2.a, 3.a, 4.a, 5.b, 6.b 16. 1.a, 2.a, 3.b, 4.a, 5.b, 6.d, 7.a, 8.b, 9.b, 10.c, 11.a, 12.b Exercícios Quantitativos 1. a. 0,6 m (1 s/0,7 m) = 0,8571 s b. 0,6 m (1 s/120 m) = 0,005 s c. não mielinizada: 0,8591 s; mielinizada: 0,007 s d. não mielinizada: 0,8621 s; mielinizada: 0,01 s 2. O tempo total de condução para o único axônio é de 1/60 s. Se v m/s for a velocidade de condução desconhecida para os três neurônios, a equação para o tempo de condução total, então, será 1 1 sec = × 1 m + 0,002 sec v 60 Solucionando para v, tem-se v m/s = 1 m/(1/60 s – 0,002 s) = 68,18 m/s 3,3 µS/cm 2 (240 µS/cm 2 240(145) log 2 3,3(4 ) (3,3 + 240) µS/cm 5. Transporte vesicular. Os anticorpos maternos no lúmen do trato digestório da criança são absorvidos pelas células intestinais por endocitose e eliminados no lado oposto da célula para o fluido intersticial por exocitose. Os anticorpos são coletados do fluido intersticial intestinal pelo fornecimento de sangue à região. 3. 25 × 10–3 V 6. Acelerar. Durante um potencial de ação, o Na entra e o K sai das células. Potenciais de ação repetidos por fim “esgotariam” os gradientes de concentração de Na+ e K+ se não fosse pela bomba Na+–K+ devolvendo o Na+ que entrou à parte externa e o K+ que saiu à parte interna. Na verdade, a taxa de atividade da bomba é acelerada pelo aumento nas concentrações de Na+ no ICF e de K+ no ECF que ocorre como resultado da atividade do potencial de ação, acelerando, assim, a restauração dos gradientes de concentração. 1. c. Os potenciais de ação parariam quando se encontrassem no meio. Assim que os dois potenciais de ação, movendo-se em direção um ao outro, chegassem ao meio do axônio, os dois trechos adjacentes de membrana no meio estariam em período refratário. Portanto, a maior propagação de qualquer um dos potenciais de ação seria impossível. + 40 Fisiologia humana + = 25 × 10–3(11,1361)V × μS/cm2 = 0,2784 μA/cm2 Pontos a ponderar 2. Um estímulo sublimiar despolarizaria temporariamente a membrana, mas não o suficiente para levá-la ao limiar, portanto, nenhum potencial de ação ocorreria. Como um es- tímulo de limiar levaria a membrana ao limiar, um potencial de ação ocorreria. Um potencial de ação de mesma intensidade e duração ocorreria em resposta a um estímulo supralimiar da mesma forma que a um estímulo limiar. Devido à lei do tudo ou nada, um estímulo maior do que o necessário para se levar a membrana ao limiar não produziria um maior potencial de ação (a intensidade do estímulo é codificada na frequência de potenciais de ação gerados no neurônio, não na magnitude dos potenciais de ação). 3. A mão poderia ser afastada do forno quente pela flexão do cotovelo realizada mediante soma dos PPSEs nos corpos celulares dos neurônios que controlam o músculo bíceps, levando, assim, esses neurônios ao limiar. Os potenciais de ação subsequentes gerados nesses neurônios estimulariam a contração do bíceps. A contração simultânea do músculo tríceps, que se oporia à flexão desejada do cotovelo, poderia ser evitada pela geração de PIPSs nos corpos celulares dos neurônios que controlam este músculo. Esses PIPs evitariam que os neurônios do tríceps atingissem o limiar e disparassem, de forma que o tríceps não seja estimulado a contrair-se. O braço poderia ser deliberadamente estendido, apesar de um doloroso furo no dedo, pela geração voluntária de PPSEs que cancelassem os PIPSs reflexos nos corpos celulares neurais que controlam o tríceps, simultaneamente à geração de PIPSs que cancelassem os PPSEs reflexos nos corpos celulares neurais que controlam o bíceps. 4. Um PPSE, sendo um potencial graduado, espalha-se em decrementos a partir do local de iniciação no neurônio pós-sináptico. Se o neurônio pré-sináptico A (perto do filamento do axônio da célula pós-sináptica) e o neurônio pré-sináptico B (no lado oposto do corpo celular pós-sináptico) iniciassem PPSEs da mesma intensidade e frequência, os PPSEs de A seriam mais fortes quando atingissem o filamento do axônio do que os PPSEs de B. Um PPSE de B diminuirá mais de intensidade à medida que se afasta antes de atingir o filamento do axônio, a região de menor limiar e, assim, local de iniciação do potencial de ação. A soma temporal dos maiores PPSEs de A podem levar o filamento do axônio ao limiar e iniciar um potencial de ação no neurônio pós-sináptico, enquanto a soma temporal dos PPSEs mais fracos de B no filamento axônico pode não ser suficiente para levar esta região ao limiar. Assim, a proximidade de um neurônio pré-sináptico com o filamento axônico pode inclinar a influência sobre a célula pós-sináptica. 5. (1) Bloqueadores de receptor de angiotensina (ARBs) diminuem a pressão sanguínea ao reduzirem a carga de sal osmoticamente ativo (retentor de água) no organismo, diminuindo, assim, o volume de plasma em circulação. Quanto maior o volume plasmático, e assim o volume de sangue, maior a pressão sanguínea, com todos os outros fatores sendo iguais. (2) Bloqueadores de receptor adrenérgico β1 suprimem a ação da epinefrina no coração, reduzindo, assim, a frequência e a força da contração cardíaca. Quanto mais rápido e forte o coração bate, mais sangue será bombeado para os vasos sanguíneos a cada minuto e maior será a pressão exercida pelo sangue sobre as paredes do vaso, com todos os outros fatores sendo iguais. 6. A ação do estrogênio sobre células do câncer de mama dependentes de estrogênio promove a sobrevivência dessas célu- las. Ao interferir na capacidade de o estrogênio se vincular aos próprios receptores nas células do câncer de mama, moduladores receptores de estrogênio seletivos (SERMs) evitam que o estrogênio promova a sobrevivência dessas células. SERMs são removidos vários anos após a remoção de tecido mamário canceroso, com o intuito de impedir que quaisquer células cancerosas possam permanecer no organismo. Como os SERMs interferem na vinculação do estrogênio (um hormônio esteroide lipofílico) a seus receptores, que estão localizados dentro da célula-alvo, é possível concluir que os SERMs também devem entrar na célula-alvo. Portanto, os SERMs devem ser lipofílicos, para serem ingeridos oralmente sem o risco de serem destruídos pelas enzimas digestoras de proteínas no trato digestório. Consideração clínica A iniciação e a propagação de potenciais de ação não ocorreriam nas fibras nervosas influenciadas por anestesia local porque o bloqueio de canais de Na+ pela anestesia local evitaria a abertura maciça de canais de Na+ regulados por voltagem no potencial de limiar. Como resultado, impulsos de dor (potenciais de ação nas fibras nervosas que levam sinais de dor) não seriam iniciados e propagados para o cérebro e não atingiriam o nível consciente. Capítulo 5 Sistema nervoso central Perguntas objetivas 1. F 2. V 3. F 4. F 5. F 6. F 7. consolidação 8. habituação 9. dorsal, ventral 10. 1.c, 2.b, 3.a, 4. a e b, 5.a, 6.c, 7.c 11. 1.c, 2.d, 3.e, 4.f, 5.a, 6.b Pontos a ponderar 1. Apenas o hemisfério esquerdo detém a capacidade da linguagem. Quando o compartilhamento de informações entre os dois hemisférios é impedido, como resultado da remoção do corpo caloso, as informações visuais apresentadas apenas ao hemisfério direito não podem ser identificadas verbalmente pelo hemisfério esquerdo, porque o hemisfério esquerdo não está ciente da informação. Entretanto, as informações podem ser reconhecidas por meios não verbais, que o hemisfério direito é capaz de compreender. 2. O excesso de insulina leva glicose demais para as células insulino dependentes, de forma que a glicose no sangue cai para abaixo do normal e glicose insuficiente é fornecida ao cérebro não insulino dependente. Portanto, o cérebro, que depende da glicose como fonte de energia, não recebe a nutrição adequada. 3. c. Um golpe severo na parte de trás da cabeça muito provavelmente traumatizará o córtex visual no lobo occipital. 4. Salivar quando se vê ou há aroma de comida, apertar a tecla certa no teclado durante a digitação e muitas das ações envolvidas na condução de um veículo são reflexos condicionados. Sem dúvida haverá muitos outros exemplos. 5. Acidentes vasculares encefálicos ocorrem quando uma parte do cérebro fica sem suprimento vital de O2 e glicose porque o vaso sanguíneo cerebral que alimenta a área rompeu-se Apêndice F 41 ou está bloqueado por um coágulo. Embora um medicamento que dissolva coágulos possa ser útil na restauração do fluxo sanguíneo através de um vaso cerebral bloqueado por um coágulo, ele seria prejudicial no caso de um vaso cerebral rompido vedado por um coágulo. A dissolução de um coágulo que veda um vaso rompido causaria nova hemorragia através do vaso, exacerbando o problema. Consideração clínica Os déficits após o derrame – dormência e paralisia parcial do lado superior direito do corpo e incapacidade de falar – indicam lesão no córtex somatossensorial esquerdo e no córtex motor primário esquerdo nas regiões dedicadas à parte superior do corpo, além de na área de Broca. b. Devido ao logaritmo na definição de decibel, a intensidade do som aumenta exponencialmente com relação ao nível de som. Este fato deve estar claro pela definição de dB solucionada para I. Tal resultado significa que o ouvido humano tem bom desempenho em toda uma larga gama de intensidades de som. Pontos a ponderar 1. A dor é uma advertência consciente de que uma lesão ao tecido está ocorrendo ou prestes a ocorrer. Um paciente que não consegue sentir dor devido a uma disfunção nos nervos não toma medidas conscientes para afastar-se de estímulos dolorosos e, assim, não pode evitar lesões mais graves aos tecidos. 1. transdução 2. estímulo adequado 3. F 4. V 5. V 6. V 7. V 8. F 9. F 10. F 11. F 12. 1.d, 2.i, 3.l, 4.j, 5.f, 6.h, 7.b, 8.e, 9.a, 10.g, 11.k, 12.c 13. 1.c, 2.b, 3.a, 4.a, 5.b, 6.b, 7.c, 8.c 2. A dilatação da pupila (midríase) pode ser deliberadamente induzida pela instilação oftálmica de um medicamento adrenérgico (como epinefrina ou composto relacionado) ou um medicamento bloqueador colinérgico (como atropina ou compostos relacionados). Medicamentos adrenérgicos produzem midríase ao causarem a contração do músculo radial (dilatador), simpaticamente alimentado, da íris. Medicamentos bloqueadores colinérgicos causam dilatação da pupila ao bloquearem a atividade parassimpática para o músculo circular (constritor) da íris, de forma que a ação do músculo radial da íris, controlado adrenergicamente, fique sem oposição. Exercícios quantitativos 3. O defeito estaria no trato óptico esquerdo ou na radiação óptica. Capítulo 6 Sistema nervoso periférico: divisão aferente; sentidos especiais Perguntas objetivas 1. A via lenta da dor leva cerca de (1,3 m) (1 s/12 m) = 0,1083 s. A via rápida leva (1,3 m) (1 s/30 m) = 0,0433 s. A diferença é de 0,1083 s – 0,0433 s = 0,065 s = 65 ms. 2. a. A quantidade de luz que entra no olho é proporcional, aproximadamente, à área da pupila aberta. Lembre que a área de um círculo é πr2. Se r for o raio da pupila e A1 for a área da pupila original, dividir o diâmetro pela metade também divide o raio pela metade; portanto, a nova área da pupila será 1 1 2 1 π r = π r 2 = A1 2 4 4 Assim, a quantidade de luz que pode entrar no olho será um quarto do que era originalmente. b. A área de um retângulo é al, onde a é a altura e l é a largura. Cortar uma das dimensões pela metade divide pela metade a área e, no mesmo grau, a quantidade de luz que pode entrar no olho. c. A pupila do gato pode ser considerada mais precisa. Pense nos ajustes gerais e finos de um microscópio. O ajuste fino traduz giros do botão em movimento muito menor do grau do que o ajuste geral. 3. a. Solucione o seguinte para I: β = (10 dB) log10 (I/I0) I = I010B/10W/m2 Portanto, 42 I1 = 10–12 (1020/10) = 10–12 (102) = 10–10 W/m2 I2 = 10–12 (1070/10) = 10–12 (107) = 10–5 W/m2 I3 = 10–12 (10120/10) = 10–12 (1012) = 1 W/m2 I4 = 10–12 (10170/10) = 10–12 (1017) = 105 W/m2 Fisiologia humana 4. O acúmulo de fluidos no ouvido médio que acompanha infecções no ouvido médio impede o movimento normal da membrana timpânica, dos ossículos e da janela oval em resposta ao som. Todas essas estruturas vibram menos vigorosamente na presença de fluido, causando problemas temporários de audição. O acúmulo crônico de fluido no ouvido médio é, às vezes, aliviado pela implantação cirúrgica de tubos de drenagem no tímpano. A audição retorna ao normal assim que o fluido é drenado para o exterior. Normalmente, o tubo “cai” quanto o tímpano se cura e empurra para fora o objeto estranho. 5. O olfato é reduzido quando se tem um resfriado, embora o vírus do resfriado não afete diretamente de forma adversa as células receptoras olfativas, porque os odorantes não chegam às células receptoras tão rapidamente quando as membranas mucosas que revestem as passagens nasais estão inchadas e há excesso de muco. Consideração clínica A síncope ocorre mais frequentemente como resultado do fornecimento inadequado do sangue que leva suprimentos suficientes de oxigênio e glicose ao cérebro. Entre as causas possíveis, estão desordens circulatórias, como problemas no bombeamento do coração ou baixa pressão sanguínea; desordens respiratórias, que resultam em sangue mal oxigenado; anemia, na qual a capacidade de transporte de oxigênio do sangue é reduzida; ou baixa glicose no sangue, resultante do inadequado gerenciamento endócrino dos níveis de glicose sanguínea. A vertigem, por sua vez, tipicamente resulta de uma disfunção do sistema vestibular, causada, por exemplo, por infecções virais ou traumas, ou do processamento neural anormal das informações vestibulares, como em um tumor cerebral. Capítulo 7 Sistema nervoso periférico: divisão eferente Perguntas objetivas 1. F 2. V 3. c 4. c 5. simpático, parassimpático 6. medula adrenal 7. 1.b, 2.a, 3.a, 4.b, 5.b, 6.b, 7.a 8. 1.a, 2.b, 3.b, 4.b, 5.a, 6.b, 7.a 9. 1.c,f, 2.a, 3.d,f, 4.e, 5.e, 6.b,f Exercícios quantitativos 1. a. Para o atleta de fim de semana, a proporção de alavanca é 70 cm/9 cm. Portanto, a velocidade na ponta do braço é de 2,6 m/s (70/9) = 20,2 m/s (cerca de 45 mph). b. Para o jogador profissional, a proporção de alavanca é 90 cm/9 cm. Portanto Exercícios quantitativos 1. t= x2 (200 nm)2 = 2D 2 × 10−5 cm 2 /sec 10x = 85 mph x = 8,5 mi/hr (1609 m/mi)(1 hr/3600 sec) = 3,8 m/sec 2. A curva força-velocidade é a seguinte: v 4 × 10−14 m 2 ⋅ sec 104 cm 2 = 20 μ sec = 2 × 10−5 cm 2 m 2 bF0 a Pontos a ponderar 1. Ao promover a constrição arteriolar, a epinefrina ministrada em conjunto com a anestesia local reduz o fluxo de sangue para a região e, assim, ajuda a anestesia a se manter na região em vez de ser levada pelo sangue. 2. Não. A atropina bloqueia o efeito da acetilcolina nos receptores muscarínicos, mas não afeta os receptores nicotínicos. Os receptores nicotínicos estão presentes nas placas finais motoras das fibras do músculo esquelético. 3. O esfíncter uretral externo, controlado voluntariamente, é formado por músculos esqueléticos e alimentado pelo sistema nervoso somático. 4. Ao interferir na atividade normal da acetilcolina na junção neuromuscular, a bungarotoxina α leva à paralisia do músculo esquelético, com a morte ocorrendo em resultado da incapacidade de se contrair o diafragma e respirar. 5. Se os neurônios motores que controlam os músculos respiratórios, especialmente o diafragma, forem destruídos por poliovírus ou esclerose lateral amiotrófica, a pessoa não conseguirá respirar e morrerá (a não ser que a respiração seja realizada por meios artificiais). Consideração clínica Medicamentos que bloqueiam receptores β1 são úteis para tratamento prolongado da angina de peito porque interferem na estimulação simpática do coração durante exercícios ou situações emocionalmente estressantes. Ao evitar o maior metabolismo cardíaco e, assim, a maior necessidade de fornecimento de oxigênio ao músculo cardíaco em tais situações, os betabloqueadores podem reduzir a frequência e a gravidade dos ataques de angina. Capítulo 8 Fisiologia muscular Perguntas objetivas 1. F 2. V 3. V 4. V 5. F 6. F 7. alfa, gama 8. concêntrica, excêntrica 9. atrofia por desnervação, atrofia por desuso 10. b 11. a, b, e 12. 1.c, 2.g, 3.d, 4.e, 5.b, 6.a, 7.f 13. 1.b, 2.b, 3.a, 4.a, 5.a, 6.b F0 F a. O formato da curva indica que leva-se um certo tempo para desenvolver força e que quanto maior for a força desenvolvida, mais tempo será necessário. b. A velocidade máxima não mudará quando F0 aumentar, mas o músculo poderá levantar cargas mais pesadas ou gerar mais força. A carga máxima não aumentará quando a taxa de ciclo de ponte cruzada aumentar, mas o músculo poderá levantar cargas mais leves mais rapidamente. Se o músculo aumenta de tamanho, b aumenta, e toda a curva se move para cima em relação ao eixo v. Pontos a ponderar 1. Ao impor maiores demandas sobre o coração para sustentar o maior fornecimento de O2 e nutrientes aos músculos esqueléticos em operação, o exercício aeróbico regular induz mudanças no músculo cardíaco que permitem que ele utilize o O2 de forma mais eficiente, como pelo aumento do número de capilares que fornecem sangue para o músculo cardíaco. Exercícios intensos de curta duração, como treinamento com pesos, por sua vez, não induzem a eficiência cardíaca. Como este tipo de exercício se fia na glicólise anaeróbia para a formação de ATP, nenhuma exigência é feita ao coração para maior fornecimento de sangue aos músculos em exercício. 2. O braço de potência da alavanca é de 4 cm e o braço de carga é de 28 cm, para uma razão de alavanca de 1:7 (4 cm:28 cm). Assim, para levantar uma pilha de livros de 8 kg com uma mão, a criança deve gerar uma força aplicada para cima no músculo bíceps de 56 kg (com uma razão de alavanca de 1:7, o músculo deve exercer sete vezes a força da carga; 7 × 8 kg = 56 kg). 3. O comprimento dos filamentos finos está representado pela distância entre uma linha Z e a borda da zona H adjacente. Esta distância continua a mesma em uma miofibrila relaxada e contraída, levando à conclusão de que os filamentos finos não mudam de comprimento durante a contração muscular. Apêndice F 43 4. Sessões regulares de treinamentos de resistência anaeróbicos de curta duração e alta intensidade seriam recomendadas para o esqui competitivo de descida livre. Ao promover a hipertrofia das fibras glicolíticas rápidas, tais exercícios adaptam melhor os músculos às atividades que exigem resistência intensa por períodos breves, como a potente e rápida descida livre montanha abaixo. Por sua vez, o exercício aeróbico regular seria mais benéfico para esquiadores competitivos de fundo (cross-country). O exercício aeróbico induz mudanças metabólicas dentro das fibras oxidativas que permitem que os músculos utilizem O2 mais eficientemente. Tais mudanças, que incluem um aumento nas mitocôndrias e nos capilares dentro das fibras oxidativas, adaptam os músculos para que aguentem melhor a atividade prolongada do esqui de fundo sem fatigar. 5. Como o local de controle voluntário para superar o reflexo de micção fica no esfíncter uretral externo e não na bexiga, o esfíncter uretral externo deve ser de músculo esquelético, inervado pelo sistema nervoso somático e controlado voluntariamente, e a bexiga deve ser de músculo liso, inervado pelo sistema nervoso autônomo e de controle involuntário. O único outro tipo de músculo controlado involuntariamente além do músculo liso é o músculo cardíaco, encontrado apenas no coração. Portanto, a bexiga só pode ser de músculo liso, e não cardíaco. Consideração clínica Os músculos na perna imobilizada sofreram atrofia por desuso. O médico ou fisioterapeuta pode recomendar exercícios regulares de resistência que utilizam especificamente os músculos atrofiados para ajudar a devolvê-los ao tamanho normal. Capítulo 9 Fisiologia cardíaca Perguntas objetivas 1. bradicardia, taquicardia 2. adenosina 3. discos intercalados, desmossomos, junções comunicantes 4. F 5. V 6. F 7. F 8. F 9. d 10. e 11. d 12. 1.a, 2.e, 3.f, 4.d, 5.b, 6.c 13. AV, sístole, semilunar, diástole 14. inferior a, superior a, inferior a, superior a, inferior a 15. 1.b, 2.c, 3.a, 4.b, 5.a, 6.b, 7.b, 8.c, 9.c, 10.a, 11.b, 12.c Exercícios quantitativos 1. DC = FC × VS 35 litros/min = FC × 0,07 litro FC = (35 litros/min)/(0,07 litro) = 500 batimentos/min Esta frequência não é fisiologicamente possível. 2. VSF = VDF – VS = 125 ml – 85 ml = 40 ml 3. Fração de ejeção = VS/VDF Fração de ejeção = 70/135 = 52% Fração de ejeção = 100/135 = 74% Fração de ejeção = 140/175 = 80% 44 Fisiologia humana Pontos a ponderar 1. Como em determinada frequência cardíaca o intervalo entre um batimento prematuro e o batimento normal seguinte é maior do que o intervalo entre dois batimentos normais, o coração se enche por um período mais longo de tempo após um batimento prematuro antes que comece o novo período de contração e esvaziamento. Devido ao maior tempo de preenchimento, o volume diastólico final é maior e, de acordo com a lei de Frank-Starling para o coração, o volume sistólico subsequente também será correspondentemente maior. 2. Os corações de atletas treinados são mais fortes e podem bombear sangue com mais eficiência, de modo que o volume sistólico em repouso é maior que o de uma pessoa não treinada. Por exemplo, se o volume sistólico em repouso de um atleta com coração forte é de 100 ml, uma frequência cardíaca em repouso de apenas 50 batimentos/minuto produz um débito cardíaco normal em repouso de 5.000 ml/minuto. Uma pessoa não treinada com volume sistólico final de 70 ml, por sua vez, deve ter uma frequência cardíaca de cerca de 70 batimentos/minuto para produzir um débito cardíaco em repouso comparável. 3. A direção do fluxo através de um duto arterioso patente é o inverso do fluxo que ocorre através desta conexão vascular durante a vida fetal. Com um duto arterioso patente, uma parte do sangue presente na aorta é desviada para a artéria pulmonar porque, após o nascimento, a pressão aórtica é maior que a pressão da artéria pulmonar. Este fluxo de sangue anormal produz um “sopro de maquinário” que dura por todo o ciclo cardíaco, mas é mais intenso durante a sístole e menos durante a diástole. Assim, o sopro vai e volta a cada batimento do coração, soando aproximadamente como uma máquina de lavar que gira para frente e para trás. O sopro está presente por todo o ciclo cardíaco porque um diferencial de pressão entre a aorta e a artéria pulmonar está presente durante a sístole e a diástole. O sopro é mais intenso durante a sístole porque mais sangue é desviado pelo duto arterioso patente, como resultado do maior diferencial de pressão entre a aorta e a artéria pulmonar, durante a sístole ventricular do que durante a diástole ventricular. Em geral, a pressão aórtica sistólica é de 120 mm Hg e a pressão arterial pulmonar sistólica é de 24 mm Hg, para um diferencial de pressão de 96 mm Hg. Por sua vez, a pressão aórtica diastólica normalmente é de 80 mm Hg e a pressão arterial pulmonar diastólica é de 8 mm Hg, para um diferencial de pressão de 72 mm Hg. 4. Um coração transplantado que não tem nenhuma inervação ajusta o débito cardíaco para atender às novas necessidades do organismo através de influências do controle intrínseco (mecanismo de Frank-Starling) e hormonais extrínsecas, como o efeito da epinefrina sobre a frequência e a força da contração cardíaca. 5. No bloqueio do ramo de feixes esquerdo, o ventrículo direito fica completamente despolarizado mais rápido que o esquerdo. Como resultado, o ventrículo direito contrai-se antes do ventrículo esquerdo, e a válvula AV direita é forçada a se fechar antes do fechamento da válvula AV esquerda. Como as duas válvulas AV não se fecham em uníssono, o primeiro som cardíaco é “dividido”, isto é, dois sons diferentes em sucessão próxima podem ser detectados à medida que o fechamento da válvula esquerda fica atrás do fechamento da válvula direita. Consideração clínica O diagnóstico mais provável é fibrilação atrial. Esta condição é caracterizada por despolarizações rápidas, irregulares e descoordenadas dos átrios. Muitas dessas despolarizações atingem de uma só vez o nó AV quando ele não está no período refratário, causando, assim, frequentes despolarizações ventriculares e batimento cardíaco rápido. Entretanto, como os impulsos chegam erraticamente ao nó AV, o ritmo ventricular e, portanto, o batimento cardíaco também ficam bastante irregulares e rápidos. O enchimento ventricular é apenas levemente reduzido, apesar do fato de os átrios em fibrilação não conseguirem bombear sangue, pois a maior parte do enchimento ventricular ocorre durante a diástole, antes da contração atrial. Devido ao batimento cardíaco errático, há períodos de tempo variáveis entre as batidas ventriculares para o enchimento ventricular. Entretanto, a maior parte do enchimento ventricular ocorre no início da diástole ventricular, depois que as válvulas AV se abrem. Desta forma, embora o período de enchimento possa ser encurtado, a extensão do enchimento pode ser quase normal. O enchimento ventricular fica substancialmente reduzido apenas quando o período ventricular é muito curto. O débito cardíaco, que depende do volume sistólico e da frequência cardíaca, normalmente não é severamente prejudicado pela fibrilação atrial. Como o enchimento ventricular é apenas levemente reduzido durante a maior parte dos ciclos cardíacos, o volume sistólico, conforme determinado pelo mecanismo de Frank-Starling, também fica apenas levemente reduzido. A contração ventricular resultante fica fraca apenas quando o período de enchimento ventricular é muito curto e as fibras do músculo cardíaco operam na extremidade inferior de sua curva comprimento-tensão. Quando a contração ventricular se torna fraca demais, os ventrículos ejetam um volume sistólico pequeno ou nulo. No entanto, durante a maioria dos ciclos cardíacos, a leve redução no volume sistólico frequentemente é compensada pela maior frequência cardíaca, portanto, o débito cardíaco em geral é quase normal. Ademais, se a pressão sanguínea arterial média cai porque o débito cardíaco diminui, a maior estimulação simpática do coração causada pelo reflexo barorreceptor ajuda a retornar o débito cardíaco ao normal, ao mover a curva de Frank-Starling para a esquerda. Nestes ciclos, quando as contrações ventriculares são fracas demais para ejetar sangue suficiente para produzir-se um pulso palpável no punho, se a frequência cardíaca for determinada diretamente pelo batimento do ápice ou via ECG e a frequência do pulso for tomada simultaneamente no punho, a frequência cardíaca excederá a frequência do pulso, produzindo-se um déficit de pulso. Capítulo 10 Vasos sanguíneos e pressão sanguínea Perguntas objetivas 1. V 2. F 3. F 4. V 5. V 6. a, c, d, e, f 7. V 8. 1.b, 2.a, 3.a, 4.b, 5.a, 6.a 9. 1.b, 2.b, 3.a, 4.a, 5.a, 6.a, 7.b, 8.a, 9.a, 10.a, 11.b, 12.a, 13.b Exercícios quantitativos 1. (120 mm Hg)/(30 litros/min) = 4 URP 2. a. 90 mm Hg + (180 mm Hg – 90 mm Hg)/3 = 120 mm Hg b. Como as outras forças que atuam na parede capilar – por exemplo, a pressão osmótica coloide do plasma – em geral não mudam com a idade, é de se suspeitar que a perda de fluidos dos capilares para os tecidos seja resultado do aumento na pressão sanguínea capilar. 3. sistêmico: (95 mm Hg)/(19 URP) = 95 mm Hg/(19 mm Hg/ litros/min) = 5 litros/min pulmonar: (20 mm Hg)/(4 URP) = 5 litros/min 4. e Pontos a ponderar 1. Uma meia de suporte elástico aumenta a pressão externa sobre as veias restantes no membro para produzir um gradiente de pressão favorável que promova o retorno venoso para o coração e minimize o inchaço que resultaria da retenção de líquidos nas extremidades. 2. a. 125 mm Hg b. 77 mm Hg c. 48 mm Hg (125 mm Hg – 77 mm = 48 mm Hg) 1 d. 93 mm Hg [77 + (48) = 77 + 16 = 93 mm Hg] 3 e. Não; nada de sangue poderia atravessar a artéria braquial, portanto, nenhum som seria ouvido. f. Sim, o sangue fluiria através da artéria braquial quando a pressão arterial estivesse entre 118 e 125 mm Hg e não fluiria quando a pressão caísse para abaixo de 118 mm Hg. A turbulência criada por este fluxo sanguíneo intermitente produziria sons. g. Não; o sangue fluiria continuamente através da artéria braquial de forma suave e laminar, portanto, nenhum som seria ouvido. 3. Aparentemente, o colega desmaiou devido a fluxo insuficiente de sangue para o cérebro como resultado do acúmulo de sangue nas extremidades inferiores causado por ter ficado em pé por tempo prolongado. Quando a pessoa desmaia e assume uma posição horizontal ao solo, o sangue acumulado retorna rapidamente ao coração, melhorando o débito cardíaco e o fluxo sanguíneo para o cérebro. Tentar fazer a pessoa levantar-se seria contraproducente, por isso, alguém que deseje levantá-la deveria ser avisado para que se deixe a pessoa deitada até que se recupere sozinha. Apêndice F 45 4. O medicamento aparentemente faz com que o músculo liso arteriolar relaxe ao causar a liberação de um mediador químico vasoativo local das células endoteliais que induz o relaxamento do músculo liso subjacente. 5. a. Como a ativação de receptores adrenérgicos α1 no músculo liso vascular causa vasoconstrição, o bloqueio de receptores adrenérgicos α1 reduz a atividade vasoconstritora, diminuindo, assim, a resistência periférica total e a pressão sanguínea arterial. b. Como a ativação de receptores adrenérgicos β1, encontrados principalmente no coração, aumenta a frequência e a força da contração cardíaca, medicamentos que bloqueiam receptores adrenérgicos β1 reduzem o débito cardíaco e, assim, a pressão sanguínea arterial, ao diminuírem a frequência e a força dos batimentos cardíacos. c. Medicamentos que relaxam diretamente o músculo liso arteriolar reduzem a pressão sanguínea arterial ao promoverem a vasodilatação arteriolar e reduzirem a resistência periférica total. d. Diuréticos reduzem o volume plasmático, diminuindo, assim, a pressão sanguínea arterial ao aumentarem a produção de urina. Sal e água que normalmente teriam sido retidos no plasma são excretados na urina. e. Como a atividade simpática promove a vasoconstrição arteriolar generalizada, aumentando, desta forma, a resistência periférica total e a pressão sanguínea arterial, medicamentos que bloqueiam a liberação de adrenalina pelas terminações simpáticas reduzem a pressão sanguínea ao evitarem este efeito vasoconstritor. f. Da mesma forma, medicamentos que atuam no cérebro para reduzir a produção simpática reduzem a pressão sanguínea ao evitarem o efeito da atividade simpática sobre a promoção de vasoconstrição arteriolar e o resultante aumento na resistência periférica total e na pressão sanguínea arterial. g. Medicamentos que bloqueiam canais de Ca2+ reduzem a entrada de Ca2+ nas células do músculo liso vascular vindo do ECF em resposta ao impulso excitatório. Como o nível de atividade contrátil nas células do músculo liso vascular depende da concentração de Ca2+ no citosol, medicamentos que bloqueiam canais de Ca2+ reduzem a atividade contrátil dessas células ao diminuírem a entrada de Ca2+ e a concentração de Ca2+ no citosol. A resistência periférica total e, consequentemente, a pressão sanguínea arterial são reduzidas como resultado da menor atividade contrátil arteriolar. h. Medicamentos que interferem na produção de angiotensina II bloqueiam a ativação da via hormonal que promove a preservação de sal e água (o sistema renina-angiotensina-aldosterona). Como resultado, mais sal e água são perdidos na urina e menos fluido é retido no plasma. A resultante redução no volume plasmático diminui a pressão sanguínea arterial. i. Medicamentos que bloqueiam receptores de angiotensina evitam que a angiotensina II cause vasoconstrição arteriolar, diminuindo, desta forma, a resistência periférica total, e também reduzem a ação do sistema renina-angiotensina-aldosterona preservador de água, diminuindo, assim, o volume plasmático. Juntos, esses efeitos diminuem a pressão sanguínea arterial. 46 Fisiologia humana Consideração clínica Os níveis anormalmente elevados de epinefrina encontrados com um feocromocitoma causam hipertensão secundária ao (1) aumentarem a frequência cardíaca, (2) aumentarem a contratilidade cardíaca, o que aumenta o volume sistólico, (3) causarem vasoconstrição venosa, que aumenta o retorno venoso e, subsequentemente, o volume sistólico através do mecanismo de Frank-Starling, e (4) causarem vasoconstrição arteriolar, que aumenta a resistência periférica total. A maior frequência cardíaca e o maior volume sistólico levam ao maior débito cardíaco. O maior débito cardíaco e a maior resistência periférica total geram maior pressão sanguínea arterial. Capítulo 11 Sangue Perguntas objetivas 1. linfócitos 2. V 3. V 4. F 5. F 6. V 7. fígado 8. d 9. a 10. 1.a, 2.b, 3.g, 4.e, 5.d, 6.h, 7.f, 8.f, 9.c 11. 1.e, 2.c, 3.g, 4.b, 5.h, 6.a, 7.f, 8.d Exercícios quantitativos 1. a. (15 g)/(100 ml) = (150 g/litro) (150 g/litro) × (1 mol/66 × 103 g) = 2,27 mM b. (2,27 mM) × (4 O2 /Hb) = 9,09 mM c. (9,09 × 10–3 mols de O2 /litro de sangue) × (22,4 litros de O2 /l mol de O2) = 204 ml de O2 /litro de sangue 2. O sangue normal contém 5 × 109 GVs/ml. O volume normal do sangue é de 5 litros. Assim, uma pessoa normal tem (5 × 109 GVs/ml) × (5.000 ml) = 25 × 1012 GVs. O hematócrito (Ht) normal é de 45%, enquanto o anêmico tem Ht de 30%. Isso representa uma perda de 1/3 dos GVs, isto é, 8,3 × 1012 GVs. Se GVs são produzidos a uma taxa de 3 × 106 GVs/s, então o tempo para restabelecer o Ht é 8,3 × 1012 GVs/(3 × 106 GVs/s) = 2,77 × 106 s = 32 dias. Assim, leva-se cerca de um mês para substituir-se uma perda hemorrágica de GVs desta intensidade. 3. v = 1,5 × exp (2h); calcule v para h = 0,4 e h = 0,7. Quando h = 0,4, v = 1,5 × exp (0,8) = 3,3. Quando h = 0,7, v = 1,5 × exp (1,4) = 6,1. 6,1/3,3 = 1,85, isto é, um aumento de 85% na viscosidade. Como a resistência é diretamente proporcional à viscosidade, a resistência também aumentará 85%. Pontos a ponderar 1. Não, não é possível concluir que uma pessoa com hematócrito de 62 definitivamente tenha policitemia. Com 62% da amostra de todo o sangue consistindo de eritrócitos (o normal é 45%), o número de eritrócitos em comparação com o volume plasmático definitivamente está elevado. Entretanto, a pessoa pode ter policitemia, na qual o número de eritrócitos é anormalmente alto, ou pode estar desidratada, e neste caso um número normal de eritrócitos está concentrado em um volume plasmático inferior ao normal. 2. Se os genes que orientam a síntese de hemoglobina-F fetal pudessem ser reativados em um paciente com anemia falciforme, uma parte da hemoglobina S anormal que faz com que os eritrócitos se deformem em células defeituosas em forma de foice seria substituída por hemoglobina F “saudável”, salvando-se, assim, uma parte dos GVs da ruptura prematura. A hemoglobina F não substituiria completamente a hemoglobina S porque o gene para síntese da hemoglobina S ainda estaria ativo. 3. A maioria das mortes por ataque cardíaco é atribuível à formação de coágulos anormais que evitam o fluxo sanguíneo normal. As substâncias químicas buscadas na “saliva” de criaturas sugadoras de sangue são agentes que decompõem ou evitam a formação desses coágulos anormais. Embora o ativador tecidual de plasminogênio (tPA) modificado geneticamente já esteja sendo utilizado como um medicamento rompedor de coágulos, este agente causa degradação do fibrinogênio e também da fibrina. Assim, embora o coágulo que ameaça a vida na circulação coronária seja dissolvido, os suprimentos de fibrinogênio no sangue ficam esgotados por até 24 horas até que novo fibrinogênio seja sintetizado pelo fígado. Se o paciente tiver um vaso rompido no meio tempo, poderá haver fibrinogênio insuficiente para formar um coágulo interruptor do sangramento. Por exemplo, muitos pacientes tratados com tPA sofrem derrames hemorrágicos em menos de 24 horas de tratamento devido à vedação incompleta de um vaso cerebral rompido. Portanto, cientistas estão buscando alternativas melhores para combater a formação anormal de coágulos com o estudo de substâncias químicas de ocorrência natural produzidas por criaturas hematófagas, que permitem que elas suguem o sangue das vítima sem coagulá-lo. 4. Esta pergunta pede sua opinião, portanto, não há resposta “certa”. Até o momento, os tomadores de decisões no sistema de saúde acham que o ônus financeiro adicional dos testes mais caros do suprimento de sangue dos EUA quanto ao HIV não é garantido. 5. Ao considerar os sintomas da porfiria, é possível imaginar como as histórias de vampiro – monstruosas criaturas com sede de sangue, peludas, de dentes pontiagudos, que vivem no escuro e são espantadas por alho – podem ter evoluído a partir de encontros de pessoas com vítimas desta condição. Esta possibilidade é especialmente provável ao considerar-se como as histórias são aumentadas e distorcidas quando são transmitidas oralmente. Consideração clínica O primogênito de Heather com Rh positivo não tinha a doença hemolítica do recém-nascido porque os sangues fetal e materno não se misturaram durante a gestação. Consequentemente, Heather não produziu nenhum anticorpo materno contra o fator Rh do feto durante a gestação. Como uma pequena quantidade do sangue do bebê provavelmente entrou na circulação materna durante o processo de parto, Heather produziria anticorpos contra o fator Rh naquele momento, na primeira vez que foi exposta a ele. Durante quaisquer gestações subsequentes com fetos Rh positivos, os anticorpos maternos de Heather contra o fator Rh poderiam atravessar a barreira da placenta e causar a destruição de eritrócitos fetais. Entretanto, se qualquer fator Rh misturado acidentalmente com o sangue materno durante o processo do parto fosse imediatamente vinculado pela imunoglobulina de Rh ministrada à mãe, o fator Rh não estaria disponível para induzir a produção de anticorpos maternos. Assim, não haveria nenhum anticorpo anti-Rh no sangue materno para ameaçar os GVs de um feto Rh positivo em uma gravidez subsequente (a imunoglobulina de Rh ministrada exogenamente, sendo uma forma passiva de imunidade, dura pouco. Por sua vez, a imunidade ativa que resultaria de Heather ser exposta ao fator Rh duraria bastante, devido à formação de células de memória). A imunoglobulina de Rh deve ser ministrada após o nascimento de cada criança Rh positiva que Heather tiver para absorver qualquer fator Rh antes que ele possa induzir a produção de anticorpos. Quando um ataque imunológico contra o fator Rh é lançado, o tratamento subsequente com a imunoglobulina Rh não reverterá a situação. Assim, se Heather não fosse tratada com a imunoglobulina de Rh após o nascimento de um primeiro filho com Rh positivo, e um segundo filho Rh positivo desenvolvesse doença hemolítica do recém-nascido, a administração de imunoglobulina de Rh após o segundo nascimento não evitaria a condição em um terceiro filho Rh positivo. Nada poderia ser feito para eliminar os anticorpos maternos já presentes. Capítulo 12 Defesas corporais Perguntas objetivas 1. F 2. F 3. V 4. F 5. F 6. pus 7. inflamação 8. receptores toll-like 9. complexo de ataque a membrana 10. citocinas 11. opsonina 12. b 13. 1.c, 2.a, 3.d, 4.b 14. 1.c, 2.c, 3.b, 4.b, 5.b, 6.b, 7.a, 8.b, 9.a, 10.b, 11.b, 12.a 15. 1.b, 2.a, 3.a, 4.b, 5.b, 6.a, 7.a, 8.a Exercícios quantitativos 1. NEP = pressão líquida para fora – pressão líquida para dentro NEP = (PC + πIF) – (PIF + πP) Observe que, para este problema, (PIF + πP) = (25 mm Hg + 1 mm Hg) = 26 mm Hg, é constante para todos os casos. Normal (πp = 0 mm Hg) NEP da extremidade arteriolar (37 + 0) – 26 = +11 mm Hg NEP da extremidade venular (17 + 0) – 26 = –9 mm Hg NEP média (+11 – 9)/2 = +1 mm Hg (para fora) a. (πp = 5 mm Hg) NEP da extremidade arteriolar (37 + 5) – 26 = +16 mm Hg NEP da extremidade venular (17 + 5) – 26 = –4 mm Hg NEP média (+16 – 4)/2 = +6 mm Hg (para fora) Condição Edema leve b. (πIp = 10 mm Hg) NEP da extremidade arteriolar (37 + 10) – 26 = +21 mm Hg NEP da extremidade venular (17 + 10) – 26 = +1 mm Hg NEP média (+21 + 1)/2 = +11 mm Hg (para fora) Condição Edema extremo Apêndice F 47 Pontos a ponderar 2. a. 380 mm Hg × 0,21 = 79,8 mm Hg 1. Veja a p. 445 do livro para um resumo das reações imunológicas à invasão bacteriana e a p. 440 para um resumo de defesas contra invasão viral. 2. Uma vacina contra um micróbio específico pode ser eficaz apenas se induzir a formação de anticorpos e/ou células T ativadas contra um antígeno estável presente em todos os micróbios daquele tipo. Ainda não foi possível produzir uma vacina contra o HIV porque ele sofre frequentes mutações. Respostas imunológicas específicas induzidas pela vacinação contra uma forma de HIV podem mostrar-se ineficazes contra uma versão levemente modificada do vírus. 3. A falha no desenvolvimento do timo levaria a uma ausência de linfócitos T e nenhuma imunidade mediada por célula após o nascimento. Este resultado comprometeria gravemente a capacidade de a pessoa se defender contra invasão viral e câncer. 4. Pesquisadores buscam maneiras de “ensinar” o sistema imunológico a ver o tecido estranho como “próprio”, como um meio de evitar que os sistemas imunológicos de pacientes de transplante de órgãos rejeitem o tecido estranho, ao mesmo tempo mantendo as capacidades gerais de defesa imunológica dos pacientes totalmente intactas. Os medicamentos imunossupressores utilizados agora para evitar a rejeição a transplantes prejudicam os sistemas de defesa imunológica dos recebedores e deixam os pacientes mais vulneráveis à invasão microbiana. 5. Todas as células da pele visíveis na superfície corporal estão mortas. Consideração clínica Se alergênicos ofensores vincularem-se a anticorpos IgG em vez de a anticorpos IgE, não haverá qualquer sintoma de alergia porque os anticorpos IgG não se acoplam aos mastócitos e basófilos como os anticorpos IgE. Capítulo 13 Sistema respiratório Perguntas objetivas 1. F 2. F 3. V 4. F 5. F 6. gradiente de pressão transmural, ação surfactante pulmonar, interdependência alveolar 7. F 8. complacência 9. elasticidade pulmonar, tensão superficial alveolar 10. anidrase carbônica 11. recolhimento elástico 12. a 13. a. =, b. =, c. >, d. <, e. <, f. >, g. =, h. =, i. =, j. =, k. aproximadamente =, l. aproximadamente = 14. F 15. 1.b, 2.a, 3.d, 4.a, 5.b, 6.a Exercícios quantitativos Para referência geral para as perguntas 1 e 2: PAO = PIO – (VO / VA) × 863 mm Hg 2 2 2 PACO = (VCO / VA) × 863 mm Hg 2 2 1. VA = 3 litros/min VO = 0,3 litros/min, RQ = 1, portanto VCO = 0,3 litros/min PACO = (0,3 litros/min/3 litros/min) × 863 mm HG 48 2 2 2 = 86,3 mm Hg Fisiologia humana b. PAO = 79,8 mm Hg – (0,06) × 431,5 mm Hg 2 = 79,8 mm Hg – 25,8 mm Hg = 54 mm Hg c. PACO = (0,2 litros/min/4,2 litros/min) × 431,5 mm Hg 2 = 20,5 mm Hg 3. TV = 350 ml, BR = 12/min, VA = 0.8 × VE, DS = ? VA = BR × (TV – DS) VE = BR × TV 0,8 = VA/ VE = [BR × (TV – DS)]/(BR × TV) = 1 – (DS/TV) 0,8 = 1 – (DS/350 ml) DS/350 ml = 0,2 DS = 0,2(350 ml) = 70 ml Pontos a ponderar 1. A pressão atmosférica total diminui com a maior altitude, mas a porcentagem de O2 no ar permanece a mesma. A uma altitude de 9.144 m, a pressão atmosférica é de apenas 226 mm Hg. Como 21% do ar atmosférico consiste de O2, a PO2 do ar inspirado a 9.144 m é de apenas 47,5 mm Hg, e a PO2 alveolar é ainda mais baixa, cerca de 20 mm Hg. A esta PO2 baixa, a hemoglobina estará apenas cerca de 30% saturada de O2 – nível baixo demais para sustentar as necessidades de O2 dos tecidos. A PO2 do ar inspirado pode aumentar por duas formas quando se voa em altitude elevada. Primeiro, com a pressurização do interior do avião para uma pressão comparável à atmosférica no nível do mar, a PO2 do ar inspirado dentro do avião é de 21% de 760 mm Hg, ou os 160 mm Hg normais. Assim, a PO2 alveolar e arterial e a porcentagem de saturação de hemoglobina também são normais. Na situação emergencial de falha na manutenção da pressão interna da cabine, respirar O2 puro pode aumentar a PO2 consideravelmente acima da obtida pela respiração do ar normal. Quando uma pessoa está respirando O2 puro, toda a pressão do ar inspirado é atribuível ao O2. Por exemplo, com uma pressão atmosférica total de 226 mm Hg a uma altitude de 9.144 m, a PO2 do O2 puro inspirado é de 226 mm Hg, o que é mais do que adequado para se manter a saturação de hemoglobina arterial normal. 2. a. A hipercapnia não acompanharia a hipoxia associada ao envenenamento por cianeto. Na verdade, os níveis de CO2 cairiam, porque o metabolismo oxidativo é bloqueado pelos venenos do tecido, de forma que o CO2 não é produzido. b. A hipercapnia poderia acompanhar a hipoxia associada ao edema pulmonar, mas nem sempre este é o caso. A capacidade difusora pulmonar é reduzida no edema pulmonar, mas a transferência de O2 sofre mais que a de CO2 porque a constante de difusão para o CO2 é 20 vezes maior do que para o O2. Como resultado, a hipoxia ocorre muito mais rapidamente do que a hipercapnia nessas circunstâncias. Entretanto, a hipercapnia ocorre quando a capacidade de difusão pulmonar é gravemente prejudicada. c. A hipercapnia acompanharia a hipoxia associada à doença pulmonar restritiva porque a ventilação é inadequada para atender às necessidades metabólicas de fornecimento de O2 e remoção de CO2. As trocas de O2 e CO2 entre os pulmões e a atmosfera são igualmente afetadas. d. A hipercapnia não acompanharia a hipoxia associada à alta altitude. Na verdade, os níveis de PCO2 arterial diminuem. Uma das reações compensatórias na aclimatação a altas altitudes é a estimulação reflexa da ventilação como resultado da redução na PO2 arterial. Esta hiperventilação compensatória para obter-se mais O2 elimina CO2 demais no processo, portanto, os níveis de PCO2 arterial ficam abaixo do normal. e. A hipercapnia não acompanharia a hipoxia associada à anemia grave. A menor capacidade de transporte de O2 do sangue não tem influência sobre o conteúdo de CO2 do sangue, portanto, os níveis de PCO2 arterial são normais. f. A hipercapnia acompanharia a hipoxia circulatória associada à insuficiência cardíaca congestiva. Assim, como o menor fluxo de sangue não fornece O2 adequado aos tecidos, também não consegue remover CO2 de forma suficiente. g. A hipercapnia acompanharia a hipoxia hipóxica associada à doença pulmonar obstrutiva porque a ventilação seria inadequada para atender às necessidades metabólicas de fornecimento de O2 e remoção de CO2. As trocas de O2 e CO2 entre os pulmões e a atmosfera seriam igualmente afetadas. 3. PO2 = 122 mm Hg 0,21 (pressão atmosférica – pressão parcial de H2O) = 0,21(630 mm Hg – 47 mm Hg) = 0,21(583 mm Hg) = 122 mm Hg 4. A hiperventilação involuntária antes da submersão na água reduz a PCO2 arterial, mas não aumenta o conteúdo de O2 no sangue. Como a PCO2 está abaixo do normal, a pessoa pode prender a respiração por mais tempo do que o normal antes que a PCO2 arterial suba até o ponto em que ela seja levada à superfície para tomar fôlego. Portanto, a pessoa pode ficar embaixo d’água por mais tempo. Entretanto, o risco é que o conteúdo de O2 do sangue, que antes de submersão na água era normal, não aumentado, continue a cair. Portanto, o nível de O2 no sangue pode cair perigosamente antes que o nível de CO2 aumente até o ponto de levar a pessoa para tomar fôlego. A baixa PO2 arterial só estimula a atividade respiratória quando despenca para 60 mm Hg. Enquanto isso, a pessoa pode perder a consciência e se afogar devido ao fornecimento inadequado de O2 ao cérebro. Se a pessoa não hiperventilar para que a PCO2 arterial e o conteúdo de O2 fiquem normais antes de submergir na água, o acúmulo de CO2 levará a pessoa à superfície para respirar antes que os níveis de O2 caiam até um ponto perigoso. 5. c. A PO2 arterial será inferior à PO2 alveolar, e a PCO2 arterial será superior à PCO2 alveolar. Como a capacidade de difusão pulmonar está reduzida, a PO2 e a PCO2 arteriais não se equilibram com a PO2 e a PCO2 alveolares. Se a pessoa receber 100% de O2, a PO2 alveolar aumentará e a PO2 arterial aumentará de acordo. Embora a PO2 arterial não se equilibre com a PO2 alveolar, ela será maior do que quando a pessoa está respirando ar atmosférico. A PCO2 arterial continuará a mesma se a pessoa receber 100% de O2 ou se respirar ar atmosférico. A PCO2 alveolar e, assim, o gradiente do sangue para a PCO2 alveolar não mudam pela respiração de 100% de O2 porque a PCO2 no ar atmosférico e em 100% de O2 é essencialmente zero (PCO2 no ar atmosférico = 0,23 mm Hg). Consideração clínica O enfisema é caracterizado por um colapso das vias aéreas respiratórias menores e uma decomposição das paredes alveolares. Devido ao colapso das vias aéreas menores, a resistência das vias aéreas aumenta com o enfisema. Assim como com outras doenças pulmonares obstrutivas crônicas, a expiração é mais prejudicada do que a inspiração porque as vias aéreas são naturalmente um pouco mais dilatadas durante a inspiração do que na expiração, em resultado do maior gradiente de pressão transmural durante a inspiração. Como a resistência das vias aéreas é maior, um paciente com enfisema deve produzir mudanças maiores do que as normais na pressão intra-alveolar para atingir um volume corrente normal. Diferente da respiração silenciosa em uma pessoa normal, os músculos inspiratórios acessórios (músculos do pescoço) e os músculos da expiração ativa (músculos abdominais e músculos intercostais internos) devem entrar em jogo para inspirar e expirar um volume corrente normal de ar. O espirograma seria característico da doença pulmonar obstrutiva crônica. Como o paciente tem mais dificuldade para esvaziar os pulmões do que para enchê-los, a capacidade pulmonar total seria essencialmente normal, mas a capacidade residual funcional e o volume residual seriam elevados como resultado do ar adicional preso nos pulmões após a expiração. Como o volume residual é maior, a capacidade inspiratória e a capacidade vital serão reduzidas. Além disso, o VEF1 será notavelmente reduzido porque a taxa de fluxo de ar é diminuída pela obstrução das vias aéreas. A proporção entre VEF1 e capacidade vital será muito menor do que os 80% normais. Devido à menor área superficial para troca como resultado de uma decomposição das paredes alveolares, as trocas gasosas seriam prejudicadas. Portanto, a PCO2 arterial seria elevada e a PO2 arterial, reduzida em comparação com o normal. Ironicamente, ministrar O2 a este paciente para aliviar-se a condição hipóxica deprimiria notavelmente o impulso da respiração ao elevar a PO2 arterial e removeria o estímulo de impulso primário para a respiração. Devido a este perigo, a terapia com O2 não deve ser ministrada ou deve ser ministrada com extremo cuidado. Capítulo 14 Sistema urinário Perguntas objetivas 1. V 2. F 3. F 4. V 5. V 6. 500 7. néfron 8. potássio 9. 1.a, 2.b, 3.b, 4.a, 5.b, 6.b, 7.b, 8.b, 9.b 10. b 11. e 12. c, e, d, a, b 13. b, a, d, c 14. g, c, d, a, f, b, e 15. 1.a, 2.b, 3.d, 4.c, 5.a Apêndice F 49 Exercícios quantitativos 1. quantidade da substância excretada = quantidade da substância filtrada – quantidade da substância reabsorvida = 250 mg/min – 200 mg/min = 50 mg/min GFR FPR FSR LF Paciente 1 Paciente 2 125 ml/min 620 ml/min 1.127 ml/min 0,20 124 ml/min 400 ml/min 727 ml/min 0,31 Todos os valores do paciente 1 estão dentro da faixa normal. A GFR do paciente 2 é normal, mas ele tem baixo fluxo de plasma renal e uma alta fração de filtração. Portanto, sua GFR é alta demais para aquele FPR. Isso pode significar maiores fendas de filtração ou um glomérulo “com vazamento” em geral. O baixo FPR pode significar baixa pressão sanguínea renal, talvez por uma artéria renal parcialmente bloqueada. 2. carga filtrada = GFR × concentração plasmática = (0,125 litros/min) × (145 mmol/litro) = 18,125 mmol/min 3. GFR = (U × [I]U)/[I]B U = (GFR × [I]B)/[I]U = (125 ml/min)(3 mg/litros)/(300 mg/litros) = 1,25 ml/min 4. Taxa de concentração de uma taxa de fluxo depuração de substância na urina × de urina uma substância = concentração plasmática da substância = 7, 5 mg/ml × 2 ml/min 0,2 mg/ml = 75 ml/min Como uma taxa de depuração de 75 ml/min está abaixo da GFR média de 125 ml/min, a substância está sendo reabsorvida. Pontos a ponderar c. 50 mg/min excretados 3. A aldosterona estimula a reabsorção de Na+ e a secreção de K+ pelos túbulos renais. Portanto, as características mais proeminentes da síndrome de Conn (hipersecreção de aldosterona) são hipernatremia (niveis elevados de Na+ no sangue) causada pela reabsorção excessiva de Na+, hipofosfatemia (níveis de K+ abaixo do normal no sangue) causada pela secreção excessiva de K+ e hipertensão (pressão sanguínea elevada) causada pela retenção excessiva de sal e água. 4. e. 300/300. Se o trecho ascendente fosse permeável à água, não seria possível estabelecer um gradiente osmótico vertical no fluido intersticial da medula renal, nem o fluido do trecho ascendente se tornaria hipotônico antes de entrar no túbulo distal. À medida que o trecho ascendente bombeasse NaCl para o fluido intersticial, a água seguiria osmoticamente, portanto, o fluido intersticial e o trecho ascendente continuariam isotônicos a 300 mOsm (mOsm/litro). Com o fluido tubular que entra no túbulo distal estando a 300 mOsm/litro em vez de os 100 mOsm/litro normais, não seria possível produzir urina com osmolaridade inferior a 300 mOsm/litro. Da mesma forma, na ausência de gradiente osmótico vertical medular, não seria possível produzir urina mais concentrada do que 300 mOsm/litro, independente de quanta vasopressina estivesse presente. 5. Como as vias descendentes entre o cérebro e os neurônios motores que alimentam o esfíncter uretral externo e o diafragma pélvico não estão mais intactos, a vítima do acidente não consegue mais controlar a micção voluntariamente. Portanto, o esvaziamento da bexiga nesta pessoa será regido inteiramente pelo reflexo de micção. Consideração clínica Aumento da próstata. 1. As alças de Henle mais longas nos ratos do deserto (conhecidos como ratos canguru) permitem uma maior magnitude de multiplicação contracorrente e, assim, maior gradiente osmótico vertical medular. Como resultado, esses roedores conseguem produzir urina concentrada até uma osmolaridade de quase 6.000 mOsm/litro, o que é cinco vezes mais concentrada do que a urina humana, maximamente concentrada a 1.200 mOsm/ litro. Devido a esta tremenda capacidade de concentração, os ratos cangurus nunca têm de beber – a H2O produzida metabolicamente dentro de suas células durante a oxidação de itens alimentícios (alimento + O2 → CO2 + H2O + energia) é suficiente para suas necessidades. Capítulo 15 Equilíbrio ácido-básico e de fluidos 2. a. 250 mg/min filtrados 1. pH = 6,1 + log [HCO3–]/(0,03 mM/mm Hg × 40 mm Hg) carga filtrada da substância = c oncentração plasmática da substância × GFR carga filtrada da substância = 200 mg/100 ml × 125 ml/min = 250 mg/min b. 200 mg/min reabsorvidos Será reabsorvido o equivalente ao valor de uma Tm da substância. 50 Fisiologia humana Perguntas objetivas 1. F 2. V 3. F 4. V 5. V 6. [H2CO3], [HCO3–] 7. fluido intracelular 8. b 9. d 10. a, d, e 11. c 12. b, e 13. 1. acidose metabólica, 2. diabetes mellitus, 3. pH = 7,1, 4. alcalose respiratória, 5. ansiedade, 6. pH = 7,7, 7. acidose respiratória, 8. pneumonia, 9. pH = 7,1, 10. alcalose metabólica, 11. vômito, 12. pH = 7,7 Exercícios quantitativos 7,4 = 6,1 + log [HCO3–]/1,2 mM log [HCO3–]/1,2 mM = 7,4 – 6,1 = 1,3 [HCO3–] = 1,2 mM × (101,3) = 24 mM 2. pH = –log [H+], [H+] = 10–pH [H+] = 10–6,8 = 158 nM para pH = 6,8 [H+] = 10–8,0 = 10 nM para pH = 8,0 3. Observe que a água destilada é permeável em todas as barreiras, portanto se distribuirá igualmente entre todos os compartimentos. Como a solução salina não entra nas células, permanecerá no ECF. As distribuições resultantes estão resumidas na tabela ao final da página. Claramente, a salina é melhor na expansão do volume de plasma. Pontos a ponderar 1. A taxa de formação de urina aumenta quando o álcool inibe a secreção de vasopressina e os rins não conseguem reabsorver água dos túbulos distal e de coleta. Como a água livre extra que normalmente teria sido reabsorvida pelas partes distais do túbulo é perdida pelo organismo na urina, o corpo fica desidratado e a osmolaridade do ECF aumenta após o consumo de álcool. Ou seja, mais fluido é perdido na urina do que consumido na bebida alcoólica como resultado da ação do álcool sobre a vasopressina. Assim, a pessoa embriagada tem um déficit de água e ainda sente sede, apesar do consumo de fluido recente. 2. Se uma pessoa perde 1.500 ml de suor rico em sal e bebe 1.000 ml de água sem repor o sal durante o mesmo período de tempo, ainda haverá um déficit de volume de 500 ml, e os fluidos corporais terão se tornado hipotônicos (o sal restante no organismo será diluído pela ingestão de 1.000 ml de H2O livre). Como resultado, os osmorreceptores do hipotálamo (o impulso dominante) sinalizarão às células secretoras de vasopressina para que diminuam a secreção de vasopressina e, assim, aumentem a excreção urinária da água livre extra que está tornando os fluidos diluídos demais. Simultaneamente, os receptores de volume atriais esquerdos sinalizarão às células secretoras de vasopressina para que aumentem a secreção de vasopressina para conservar água durante a formação de urina e, assim, ajudar a diminuir o déficit de volume. Esses dois impulsos conflitantes para as células secretoras de vasopressina são contraproducentes. Por este motivo, é importante repor a água e o sal após suor intenso ou perda anormal de outros fluidos ricos em sal. Se o sal for reposto em conjunto com a ingestão de água, a osmolaridade do ECF continua quase normal e as células secretoras de vasopressina recebem sinais apenas para aumentar a secreção de vasopressina para ajudar a retornar o volume do ECF ao normal. 3. Quando uma solução de dextrose de concentração igual à dos fluidos corporais normais é injetada via intravenosa, o volume de ECF é expandido, mas o ECF e o ICF ainda são osmoticamente iguais. Portanto, nenhum movimento líquido de água ocorre entre o ECF e o ICF. No entanto, quando a dextrose entra na célula e é metabolizada, o ECF torna-se hipotônico à medida que este soluto deixa o plasma. Se o excesso de água livre não for excretado na urina com rapidez suficiente, a água entrará por osmose nas células. 4. Como o bicarbonato de sódio (NaHCO3) é imediatamente absorvido pelo trato digestório, o tratamento de hiperacidez gástrica com o bicarbonato pode levar à alcalose metabólica, pois HCO3– demais é absorvido. O tratamento com antiácidos, que são mal absorvidos, é mais seguro porque esses produtos permanecem no trato digestório e não produzem um desequilíbrio ácido-básico. 5. c. O sistema de tampão de hemoglobina tampona o íon hidrogênio gerado pelo dióxido de carbono. No caso da acidose respiratória que acompanha a pneumonia grave, a reação H+ + Hb → HHb irá em direção ao lado HHb, removendo, assim, uma parte do H+ livre adicional do sangue. Consideração clínica A diarreia prolongada resultante levará à desidratação e à acidose metabólica como resultado de, respectivamente, perda excessiva nas fezes de fluido e de NaHCO3 que normalmente teriam sido absorvidos no sangue. Medidas compensatórias para desidratação incluem secreção de vasopressina, resultando na maior reabsorção de água pelos túbulos distal e de coleta, e subsequente redução na produção de urina. Simultaneamente, a ingestão de fluidos é estimulada pelo aumento da sede. A acidose metabólica é combatida pela remoção do excesso de H+ do ECF pelo membro HCO3– do sistema Tamanho do compartimento antes da ingestão (litros) Tamanho do compartimento depois da ingestão (litros) % de Aumento no tamanho do compartimento depois da ingestão Fluido Ingerido Compartimento Água destilada TBW 42 43 2% ICF (2/3 TBW) 28 28,667 2% ECF (1/3 TBW) 14 14,333 2% plasma (20% do ECF) 2,8 2,866 2% ISF (80% do ECF) 11,2 11,466 2% TBW 42 43 2% ICF 28 28 0% ECF 14 15 7% plasma 2,8 3 7% ISF 11,2 12 7% Salina Apêndice F 51 tampão H2CO3:HCO3–, pela maior ventilação para reduzir-se a quantidade de CO2 formador de ácido nos fluidos corporais e pela excreção de H+ adicional e preservação de HCO3– pelos rins. Capítulo 16 Sistema digestório Perguntas objetivas 1. V 2. F 3. V 4. F 5. F 6. F 7. quimo 8. longo, curto 9. vitamina B12, sais de bile 10. três 11. sais de bile 12. b 13. 1.a, 2.d, 3.f, 4.e, 5.c, 6.b 14. 1.c, 2.c, 3.b, 4.a, 5.a, 6.a, 7.c, 8.b, 9.a, 10.b, 11.c, 12.e Exercícios quantitativos 1. a. r = 0,5 cm, área = 4π (0,25) = π cm2 volume = ( 43 π)(0,5)3 = 0,5236 cm3 área/volume = 6 b. O volume de cada nova gota é 5,236 × 10−3 cm3, portanto, o raio médio é de 0,1077 cm. A área de uma esfera com este raio é 4 π(0,1077 cm)2 = 0,1458 cm2 área/volume = 27,8 c. Área emulsificada/área da gota = (100)(0,1458 cm2)/π cm2 = 4,64 Assim, a área superficial total de todas as 100 gotas emulsificadas é 4,64 vezes a área da gota maior do lipídio original. d. Volume emulsificado/volume da gota = (100)(5,236 × 10–3 cm3)/0,5236 cm3 = 1,0. Assim, o volume total não mudou como resultado da emulsificação como seria esperado, porque o volume total do lipídio é preservado durante a emulsificação. O volume originalmente presente na gota grande é dividido entre as 100 gotas emulsificadas. Pontos a ponderar 1. Pacientes que tiveram o estômago removido devem comer pequenas quantidades de alimento frequentemente em vez de consumirem as típicas três refeições diárias porque perderam a capacidade de armazenar alimento no estômago e fornecê-lo ao intestino delgado a uma taxa ideal. Se uma pessoa sem estômago fizesse uma refeição grande que entrasse no intestino delgado de uma só vez, o conteúdo luminal se tornaria rapidamente hipertônico demais, à medida que a digestão de grandes moléculas de nutriente em diversas unidades absorvíveis pequenas e osmoticamente ativas superasse o processo mais lento de absorção dessas unidades. Como consequência dessa maior osmolaridade luminal, a água, vinda do plasma, entraria por osmose no lúmen do intestino delgado, resultando em problemas circulatórios e também em distensão intestinal. Para evitar que esta “síndrome do despejo” ocorra, o paciente deve “dar” ao intestino delgado apenas quantidades pequenas de comida por vez, para que a absorção dos produtos finais digestivos possa acompanhar o ritmo da taxa de produção. A pessoa tem de controlar conscientemente o fornecimento de comida para o intestino delgado porque o estômago não está mais presente para assumir esta responsabilidade. 52 Fisiologia humana 2. O tecido linfoide associado ao intestino lança um ataque imunológico contra qualquer micro-organismo patogênico (causador de doenças) que entre no trato digestório rapidamente acessível e escape da destruição pela lisozima salivar ou pelo HCl gástrico. Esta ação é uma defesa contra a entrada desses possíveis patógenos no organismo. O grande número de células imunológicas no tecido linfoide associado ao intestino se adapta como uma primeira linha de defesa contra invasores ao considerar que a área superficial do revestimento do trato digestório representa a maior interface entre o organismo e o ambiente externo. 3. Em um paciente paralisado da cintura para baixo por um ferimento na medula espinhal inferior, a evacuação seria realizada totalmente pelo reflexo de defecação. O controle voluntário do esfíncter anal externo seria impossível devido à interrupção na via descendente entre o córtex motor primário e o neurônio motor que alimenta este esfíncter. 4. Quando não há disponibilidade de glucuronil transferase suficiente no recém-nascido para conjugar toda a bilirrubina produzida durante a degradação de eritrócitos com ácido glicurônico, a bilirrubina extra não conjugada não pode ser excretada na bile. Portanto, esta bilirrubina extra permanece no organismo, originando uma leve icterícia no recém-nascido. 5. A remoção do estômago leva à anemia perniciosa devido à resultante falta de fator intrínseco, que é necessário para a absorção de vitamina B12. A remoção do íleo terminal causa a anemia perniciosa porque este é o único local onde a vitamina B12 pode ser absorvida. Consideração clínica Uma pessoa cujo duto de bile está bloqueado por uma pedra na vesícula biliar sofre um “ataque de vesícula” doloroso após fazer uma refeição rica em gordura porque a gordura ingerida ativa a liberação de colecistoquinina, que estimula a contração da vesícula. À medida que a vesícula se contrai e a bile é espremida para dentro do duto biliar bloqueado, o duto fica distendido antes do bloqueio. Esta distensão é dolorosa. As fezes são branco-acinzentadas porque nenhuma bile com bilirrubina entra no trato digestório quando o duto biliar está bloqueado. A bilirrubina, quando influenciada por enzimas bacterianas, é responsável pela cor marrom das fezes, que são brancoacinzentadas em sua ausência. Capítulo 17 Equilíbrio energético e regulagem de temperatura Perguntas objetivas 1. F 2. F 3. F 4. V 5. F 6. V 7. V 8. V 9. núcleo arqueado 10. termogênese metabólica 11. suor 12. tremor 13. b 14. 1.d, 2.c, 3.b, 4.a, 5.b, 6.c, 7.a, 8.b, 9.d, 10.c Exercícios quantitativos 1. Da física, sabemos que ∆T(ºC) = ∆U/(C × m). Note também que ∆U/t = TMB; ou seja, a taxa de uso de energia é a taxa metabólica basal. m representa a massa de fluido corporal para uma pessoa normal, isto é, 42 litros. (42 litros) × (1 kg/litro) = 42 kg C = 1,0 kcal/(kg-°C) Dado que a água ferve a 100°C e a temperatura corporal normal é de 37°C, precisamos mudar a temperatura em 63ºC. Assim, t = (∆T × C × m)/TMB = (63°C)[1,0 kcal/(kg-°C)] (42 kg)/(75 kcal/h) = 35 h À taxa metabólica mais alta durante o exercício, t = (63°C)[1,0 kcal/(kg-°C)](42 kg)/(1.000 kcal/h) = 2,6 h Pontos a ponderar 1. Evidências sugerem que a CCK serve de sinal de saciedade. Acredita-se que ela atue como sinal para se parar de comer quando alimento suficiente para atender às necessidades de energia do organismo foi consumido, embora o alimento ainda esteja no trato digestório. Portanto, quando medicamentos que inibem a liberação de CCK são ministrados em cobaias animais, os animais comem demais porque este sinal de saciedade não é liberado. 2. Não entre em uma “dieta rápida”. Faça uma dieta nutricionalmente balanceada que forneça todos os nutrientes essenciais, mas reduza a ingestão total de calorias, cortando especialmente alimentos ricos em gordura. Espalhe a ingestão de alimentos durante todo o dia em vez de fazer apenas poucas refeições grandes. Evite lanches à noite. Queime mais calorias por meio de um programa regular de exercícios. 3. Realizar exercícios pesados em um dia quente é perigoso por causa de problemas que surgem da tentativa de se eliminar o calor extra gerado por músculos em exercício. Primeiro, haverá demandas conflitantes pela distribuição do débito cardíaco – mecanismos reguladores de temperatura ativarão a vasodilatação da pele para promover a perda de calor através de sua superfície, enquanto mudanças metabólicas dentro dos músculos em exercício induzirão a vasodilatação da musculatura, para corresponder às maiores necessidades metabólicas com um maior fluxo sanguíneo. Exacerbando ainda mais o problema de demandas conflitantes por fluxo de sangue, há a perda de volume de plasma efetivo em circulação, resultante da perda de um grande volume de fluido através de outro importante mecanismo de resfriamento, o suor. Portanto, é difícil manter-se um volume de plasma efetivo e a pressão sanguínea ao mesmo tempo em que se evita que o organismo esquente demais durante a realização de exercícios pesados no calor. Portanto, provavelmente acontecerá a exaustão por calor. 4. Quando uma pessoa está mergulhada em uma banheira quente, a perda de calor por radiação, condução, convecção e evaporação é limitada à pequena área superficial do corpo exposta ao ar mais frio. O calor é ganho por condução na maior área superficial da pele exposta à água quente. 5. O peixe termoconformador não teria febre em conjunto com uma infecção sistêmica porque não tem mecanismos para regular a produção interna de calor ou controlar a troca de calor com o ambiente. A temperatura corporal do peixe varia de acordo com o ambiente externo, independente de ter uma infecção sistêmica ou não. Ele não pode manter sua temperatura corpo- ral nem em um ponto “normal” definido nem em um ponto elevado (isto é, uma febre). Consideração clínica Os tecidos resfriados precisam de menos nutrição do que em temperatura corporal normal devido à atividade metabólica altamente reduzida. A menor necessidade de O2 dos tecidos resfriados é responsável pela ocasional sobrevivência de vítimas de afogamento que ficaram mergulhadas em água gelada por consideravelmente mais tempo do que alguém normalmente poderia sobreviver sem O2. Capítulo 18 Princípios de endocrinologia: glândulas endócrinas centrais Perguntas objetivas 1. V 2. V 3. V 4. V 5. F 6. núcleo supraquiasmático 7. regulagem para baixo 8. V 9. trófico 10. placa epifisária 11. 1.c, 2.b, 3.b, 4.a, 5.a, 6.c, 7.b Pontos a ponderar 1. A concentração de hormônios liberadores e inibidores do hipotálamo seria consideravelmente menor (na verdade, quase inexistente) em uma amostra de sangue sistêmico venoso em comparação com a concentração desses hormônios em uma amostra do sangue da porta hipotálamo-hipófise. Esses hormônios são secretados no sangue portal para fornecimento local entre o hipotálamo e a hipófise anterior. Qualquer parte desses hormônios coletados pelo sangue sistêmico no nível capilar da hipófise anterior é bastante diluída pelo volume total muito maior de sangue sistêmico, em comparação com o volume extremamente pequeno de sangue dentro do vaso porta. 2. Acima do normal. Sem iodo suficiente, a glândula tireoide não consegue sintetizar hormônio da tireoide suficiente. A resultante redução na atividade de retroalimentação negativa pelo menor nível de hormônio da tireoide levaria à maior secreção de TSH. Entretanto, apesar do TSH elevado, a glândula tireoide ainda não conseguiria secretar hormônio da tireoide adequado, graças à deficiência de iodo. 3. Se o excesso de secreção de cortisol está associado a CRH e/ou ACTH elevados, a condição é secundária a um defeito no nível do hipotálamo/hipófise anterior. Se os níveis de CRH e ACTH estiverem abaixo do normal em conjunto com o excesso de secreção de cortisol, a condição se deve a um defeito primário no nível do córtex adrenal, com o excesso de cortisol inibindo o hipotálamo e a hipófise anterior em retroalimentação negativa. 4. Homens com síndrome de feminização testicular seriam incomumente altos devido à incapacidade de a testosterona promover o fechamento das placas epifisárias dos ossos longos na ausência de receptores de testosterona. 5. Atletas adultos às vezes tomam doses suplementares ilegais de hormônio do crescimento porque ele promove crescimento de massa muscular esquelética por meio do efeito anabólico de Apêndice F 53 proteínas induzido pelo IGF-I. Contudo, o excesso de hormônio do crescimento pode ter efeitos colaterais prejudiciais, como possível diabetes ou pressão alta. Consideração clínica A terapia de reposição hormonal após a remoção da hipófise deve incluir o hormônio da tireoide (a glândula tireoide não produzirá hormônio da tireoide suficiente na ausência de TSH) e glucocorticoide (devido à ausência de ACTH), especialmente em situações de estresse. Se indicado, hormônios sexuais femininos ou masculinos podem ser repostos, embora tais hormônios não sejam essenciais à sobrevivência. Por exemplo, a testosterona nos homens desempenha um papel importante na libido. O hormônio do crescimento e a prolactina não precisam ser repostos porque sua ausência não produzirá consequências graves nestes indivíduos. A vasopressina pode precisar ser reposta se quantidades insuficientes deste hormônio forem coletadas pelo sangue no hipotálamo na ausência da hipófise posterior. Capítulo 19 Glândulas endócrinas periféricas Perguntas objetivas 1. F 2. V 3. V 4. F 5. V 6. V 7. F 8. F 9. coloide, tireoglobulina 10. cérebro, músculos em exercício, fígado 11. glicogênese, glicogenólise, gliconeogênese 12. osso, rins, trato digestório 13. osteoblastos, osteoclastos, osteócitos 14. a, b, c, g, i, j 15. c Pontos a ponderar 1. O meio-oeste dos Estados Unidos não é mais um cinturão endêmico de bócio, embora o solo ainda seja pobre em iodo, porque as pessoas que vivem nesta região obtêm iodo de nutrientes complementados com iodo, como o sal iodado, além de frutos do mar e outros alimentos naturalmente ricos em iodo adquiridos de regiões litorâneas. 2. O choque anafilático é uma reação alérgica extremamente grave causada pela liberação maciça de mediadores químicos em resposta à exposição a um alergênico específico – como o associado à picada de uma abelha –, ao qual a pessoa é altamente sensível. Esses mediadores químicos causam choque circulatório (hipotensão grave) através de um efeito duplo: (1) relaxamento do músculo liso arteriolar, causando, assim, ampla vasodilatação arteriolar e uma resultante queda na resistência periférica total e na pressão sanguínea arterial, e (2) aumento generalizado na permeabilidade capilar, resultando em movimento de fluido do plasma para o fluido intersticial. Este efeito diminui o volume efetivo em circulação, reduzindo ainda mais a pressão sanguínea. Além disso, tais mediadores químicos causam broncoconstrição pronunciada, impossibilitando que a vítima movimente ar suficiente através das vias aéreas estreitadas. Como essas respostas ocorrem rapidamente e podem ser fatais, pessoas alérgicas a picadas de abelha são aconselhadas a ter sempre epinefrina injetável consigo. Ao promover a vasoconstrição arteriolar, através de suas ações sobre receptores α1 no músculo liso arteriolar, e a broncodilatação através de sua ação 54 Fisiologia humana sobre receptores β2 no músculo liso bronquiolar (veja, no Capítulo 7, a Tabela 7-3), a epinefrina combate os efeitos ameaçadores à vida da reação alérgica à picada de abelha. 3. Uma infecção provoca a resposta ao estresse, o que causa maior secreção de cortisol e epinefrina, ambos aumentando o nível de glicose sanguínea. Isso se torna um problema para diabéticos que têm de diminuir o nível elevado de glicose no sangue ao injetarem mais insulina ou, preferencialmente, reduzirem a ingestão de carboidratos e/ou se exercitarem para utilizar uma parte da glicose extra no sangue. Em uma pessoa normal, o sistema de checks and balances (freios e contrapesos) entre a insulina e os hormônios que se opõem à sua ação ajuda a manter a glicose no sangue dentro de limites razoáveis durante a resposta ao estresse. 4. A presença do sinal de Chvostek resulta da maior excitabilidade neuromuscular causada pela hipossecreção moderada do hormônio da paratireoide. 5. Se a hipercalcemia associada à malignidade surgiu de células tumorais em metástase que invadiram e destruíram o osso, hipercalcemia e hiperfosfatemia resultariam, à medida que os sais de fosfato de cálcio fossem liberados pelo osso destruído. O fato de que a hipofosfatemia, não a hiperfosfatemia, frequentemente acompanha a hipercalcemia associada à malignidade levou os pesquisadores a descartarem a destruição óssea como causa da hipercalcemia. Em vez disso, eles passaram a suspeitar que os tumores produziam uma substância que imita as ações do PTH na promoção da hipercalcemia e da hipofosfatemia simultâneas. Consideração clínica A “diabetes das mulheres barbadas” descreve o excesso de secreção de cortisol e de androgênio adrenal. O excesso de secreção de cortisol causa hiperglicemia e glicosúria. A glicosúria promove a diurese osmótica, que leva à desidratação e à maior sensação de sede compensatória. Todos esses sintomas – hiperglicemia, glicosúria, poliúria e polidipsia – imitam a diabetes mellitus. A secreção excessiva de androgênio adrenal nas mulheres promove características masculinizantes, como o crescimento de barba. A hipersecreção simultânea de cortisol e androgênio adrenal muito provavelmente ocorre secundária ao excesso de secreção de CRH/ACTH, porque o ACTH estimula a produção de cortisol e de androgênio pelo córtex adrenal. Capítulo 20 Sistema reprodutivo Perguntas objetivas 1. V 2. V 3. V 4. F 5. V 6. V 7. F 8. túbulos seminíferos, FSH, testosterona 9. gonadotrofina coriônica humana 10. da teca, LH, granulosa, FSH 11. corpo lúteo da gestação 12. c 13. e 14. 1.a, 2.b, 3.a, 4.c, 5.a, 6.b 15. 1.a, 2.a, 3.b, 4.b, 5.e, 6.a, 7.c, 8.c, 9.c Pontos a ponderar 1. A hipófise anterior reage apenas ao padrão pulsátil normal do GnRH e não secreta gonadotrofinas em resposta à exposição contínua ao GnRH. Na ausência da secreção de FSH e LH, a ovulação e outros eventos do ciclo ovariano não ocorrem, portanto, a administração contínua de GnRH pode ser usada como método contraceptivo. 2. A hipersecreção de testosterona em um menino causa fechamento prematuro das placas epifisárias, portanto, ele para de crescer antes de atingir seu potencial genético de altura. A criança também exibiria sinais de pseudopuberdade precoce, caracterizada pelo desenvolvimento prematuro de características sexuais secundárias, como voz grave, barba, pênis maior e libido. 3. Um efeito colateral possivelmente problemático de medicamentos que inibam a atividade do sistema nervoso simpático como parte do tratamento da pressão alta é a incapacidade de os homens manterem relações sexuais. As duas divisões do sistema nervoso autônomo são exigidas para o ato sexual masculino. A atividade parassimpática é essencial para que se atinja a ereção e a atividade simpática é importante para a ejaculação. 4. O extrato de hipófise posterior contém uma abundância de ocitocina armazenada, que pode ser ministrada para induzir ou facilitar o trabalho de parto por aumentar a contratilidade uterina. A ocitocina exógena é mais bem-sucedida na indução do parto se a mulher está quase a termo, presumidamente graças à maior concentração de receptores de ocitocina do miométrio naquele momento. 5. O GnRH ou FSH e LH não são eficazes no tratamento de sintomas da menopausa porque os ovários não respondem mais às gonadotrofinas. Assim, o tratamento com esses hormônios não causaria secreção de estrogênio e progesterona. Na verdade, os níveis de GnRH, FSH e LH já estão elevados nas mulheres pós-menopausa, devido à falta de retroalimentação negativa pelos hormônios ovarianos. Consideração clínica A primeira advertência de uma gestação tubária é a dor causada pelo estiramento da tuba uterina pelo embrião em crescimento. Uma gravidez tubária deve ser interrompida cirurgicamente porque a tuba uterina não é capaz de expandir-se como o útero para acomodar o embrião em crescimento. Se não for removido, o embrião cada vez maior romperá a tuba, causando uma hemorragia possivelmente fatal. Apêndice F 55
