BIOFSICA: Um conceitoBiofsica (Fsica Biolgica) o estudo do carter fsico dos fenmenos biolgicos (vitais), estudados em todos os nveis, comeando pelas molculas e as clulas, e terminando pela biosfera em seu conjunto. As investigaes biolgicas comeam com o mapeamento fsico do problema relacionado com a natureza viva. Isto significa que tal questo se formula a partir das leis gerais da Fsica e da estrutura atmica e molecular da matria. Nesta investigao a Biofsica utiliza metodologia, conhecimentos e tecnologias da Fsica, Qumica e Matemtica, guiada por uma filosofia, uma disposio final, com o objetivo de descobrir, aprofundar e dominar os fenmenos biolgicos. Devemos observar que o contedo da Biofsica no est obrigatoriamente ligado utilizao dos equipamentos fsicos, porm os mdicos ou bilogos que utilizam estes aparelhos em geral no se ocupam da Biofsica, embora possam estar envolvidos fenmenos Biofsicos nos eventos estudados com estes aparelhos. Objetivos da Biofsica O enorme campo de atividade da Biofsica, ao lado de sua complexa estrutura, no lhe permite um simples e nico objetivo. Em sntese podem ser enumerados: 1- Estudar os fenmenos biolgicos atravs das leis e princpios da Fsica 2- Adaptar ao estudo da Biologia a tecnologia e mtodos da Fsica. 3- Estudar os efeitos dos agentes fsicos sobre os seres vivos e particularmente, sobre suas ultra-estruturas e seus funcionamentos. 4- Construir modelos fsicos e matemticos dos sistemas vivos. Mtodos de Estudo da Biofsica A Biofsica utiliza para investigao os mesmos mtodos da Fsica, isto , a observao, a experimentao, a induo e a deduo. A seqncia de uma metodologia caracteriza um estudo cientfico. Cada um dos mtodos exige do pesquisador correta atitude que se expressa atravs da honestidade, imparcialidade, precisa tecnologia e extremada ateno ao trabalho. Partes da Biofsica Condicionalmente a Biofsica se divide em cinco partes. Esta diviso em reas de concentrao do conhecimento surgiu naturalmente com o desenvolvimento da Biofsica, pois sua vasta abrangncia fez com que houvesse necessidade de formao de grupos especializados em reas definidas dos diversos campos da Biofsica. Ento, seguindo a natureza viva que se nos apresenta em vrios nveis de complexidade: as molculas, as organelas celulares, clulas, tecidos, organismos, biosfera, temos os diversos nveis de que si ocupa a Biofsica. Que so: Biofsica Molecular Biofsica celular: bioenergtica e bioeletrognese Biofsica dos Sistemas Fisiolgicos Radiobiologia Mtodos e Recursos de Investigao e Anlise utilizados na Biofsica. A Biofsica Molecular estuda a estrutura e as propriedades fsico-qumicas das molculas biologicamente funcionais, sobretudo os biopolmeros, ou seja, as protenas e os cidos nuclicos. A tarefa da Biofsica Molecular consiste em descobrir os mecanismos fsicos, responsveis pela funcionalidade biolgica das molculas, por exemplo, da atividade cataltica das enzimas e distribuio dos gens nos cromossomos. A Biofsica Celular estuda a estrutura e funo dos sistemas celulares e de tecidos. Este domnio da Biofsica considerado o mais velho e tradicional. Suas tarefas fundamentais hoje esto ligadas com o estudo da fsica das membranas biolgicas e dos processos bioenergticos (Bioenergtica). A biofsica da clula inclue o estudo da gnese e transmisso do impulso nervoso (Bioeletrognese), o estudo dos processos mecanoqumicos (em particular a contrao muscular), o estudo dos fenmenos fotobiolgicos (fotossntese e viso). A Biofsica dos Sistemas Fisiolgicos estuda todos os aspectos fsicos e funes dos sistemas fisiolgicos. Que so: Respirao, Circulao, Funo Renal, Audio, Viso e a Biomecnica dos msculos e esqueletos. Radiobiologia estuda os efeitos das radiaes sobre os seres vivos, desenvolvendo sua metodologia. Dentro deste campo destacam-se duas sub-reas a das radiaes ionizantes e a das radiaes excitantes (fotobiologia). Mtodos e Recursos de Investigao e Anlise utilizados na Biofsica. O desenvolvimento de uma srie de mtodos e tcnicas de anlise com aplicao na investigao dos fenmenos Biofsicos deu origem a um campo da Biofsica que se dedica a elaborao de tcnicas que do suporte a investigao Biofsica. Segundo a caracterstica fsica ou fenmeno em que se baseiam podemos classificar estes mtodos em: a) Mtodos de investigao baseados nas caractersticas fsicas (massa molecular, dimenses e formas): - Sedimentao - Ultrafiltrao 12345-

- Disperso da luz - Disperso dos Raios X - Cromatografia - Eletroforese. b) Mtodos de investigao baseados na interao das substncias com a radiao (dos raios X radiofrequncia): - Espectrofotometria de Absoro: infravermelho, visvel, ultravioleta. - Espectrofotometria de Emisso: fluorescncia, absoro atmica - Dicroismo Circular - Disperso tica-rotatria - Difrao de Raios X - Espectroscopia de Ressonncia Gama (efeito Mossbauer) - Ressonncia Paramagntica Nuclear(NPR) - Ressonncia Paramagntica Eletrnica (EPR) - Ressonncia Magntica Nuclear (NMR) - Microscopia tica - Microscopia Eletrnica - Radiografia - Tomografia Computadorizada - Ultrassonografia c) Mtodos de investigao baseados na emisso de radiao por substncias radioativas incorporadas aos sistemas biolgicos (biomolculas, clulas, tecidos, rgos). So tcnicas radioscpicas que utilizam os traadores radioativos em pesquisa biolgica, por exemplo: - Auto-radiografia - Radioimunoensaio - Marcao radioisotpica - Cintilografia.

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Soluesl - INTRODUO Todos os seres vivos, do ponto de vista biofsico, constituem-se de uma poro (ou pores) de soluo cujo volume determinado por meio de membranas biolgicas. Sob este ponto de vista uma ameba ou um animal pluricelular podem ser considerados como uma soluo ou um conjunto de solues, embora altamente complexas e heterogneas. A composio qumica de uma clula depende do tipo de clula, da regio que se est examinando e varia continuamente com o tempo. Diz-se que a vida comeou nos oceanos primitivos, portanto, em uma soluo aquosa. Todos os animais, aquticos ou no, procuram conservar-se com uma composio dentro de determinados limites, caractersticos da sua espcie. Qualquer variao, se no corrigida, pode levar a alteraes fisiolgicas que terminam resultando na morte do animal. Na espcie humana, por exemplo, a + concentrao extracelular de K deve permancecer nos limites de 4,5 a 5,5 mEq/l. Alteraes para cima ou para baixo desses limites podem levar morte por parada cardaca. Qualquer pesquisa na rea biolgica faz uso de reagentes na forma de soluo. A maior parte dos medicamentos empregados na rea biomdica apresentada sob a forma de soluo: antibiticos, anestsicos, vitaminas, minerais, antitrmicos, analgsicos, vacinas. Na recuperao de pacientes desidratados ou para a manuteno do volume hdrico durante uma cirurgia ou no ps-operatrio, faz-se uso de solues cujo volume, composio e velocidade de administrao devem ser estritamente controlados e so calculados com base no peso do paciente, no grau de desidratao e outros parmetros clnicos. ll - COMPOSIO Qualquer soluo constituda basicamente por, no mnimo, dois componentes: o soluto e o solvente. O plasma sanguneo, por exemplo, uma soluo constituda de grande quantidade de gua, que o solvente, na qual esto dispersos vrios solutos, tais como: protenas, sais minerais, aminocidos, acares, vitamins, hormnios e outros. Tratando-se de lquidos biolgicos, teremos sempre a gua como solvente e a maior parte dos solutos na forma slida. Uma exceo importante consiste na dissoluo dos gases envolvidos na respirao celular nos lquidos biolgicos. Ill - CONCENTRAO Caracteriza-se qualitativamente uma soluo identificando-se quimicamente o seu solvente e o seu soluto, ou seus solutos por exemplo: soluo aquosa de NaCl. Quando no se especifica o solvente, subentende-se que seja a gua. A caracterizao quantitativa de uma soluo feita por dois parmetros: a sua concentrao ( C ) e o seu volume (V). Como existe uma relao matemtica entre esses dois parmetros e, alm disso, possvel ter-se vrios volumes de uma soluo com a mesma concentrao, a caracterizao quantitativa das solues feita comumente apenas pela sua concentrao. Por definio a concentrao C de uma soluo a relao entre a quantidade de soluto (Q) e o volume da soluo (V) :

Q C = ----V

==>

Q=C.V

==>

Q V = ----C

Dessa definio, deduz-se que a quantidade de soluto (Q) presente em uma soluo sempre igual ao produto da concentrao (C) pelo volume da soluo (V).

IV-UNIDADES DE CONCENTRAO Da definio de concentrao conclui-se que as unidades de concentrao dependem das unidades de medidas ou de expresso da quantidade de soluto e do volume da soluo. Por exemplo : se a quantidade de soluto for expressa em grama (g) e o volume da soluo em litro (l) a concentrao ser em g/l. Na rea biomdica as unidades de concentrao mais utilizadas so as seguintes: mg/ml............................................indica a quantidade de miligrama de soluto existente em cada um mililitro de soluo. mg%..............................................indica a quantidade de miligrama de soluto existente em cada cem mililitros de soluo. 3 g/ml(g/cm )....................................indica a quantidade de grama de soluto existente em cada um mililitro de soluo. g%.................................................indica a quantidade de grama de soluto existente em cada cem mililitros de soluo.

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M ou mol / l...................................indica o nmero de moles de soluto existente em cada um litro de soluo. mM ou mmol/l...............................indica o nmero de milimoles de soluto existente em cada litro de soluo. N ou Eq/l................................ indica o nmero de equivalentes-grama de soluto (em relao a uma determinada funo) existente em cada um litro de soluo.

mEq/l.............................................indica o nmero de miliequivalentes-grama de soluto(em relao a uma determinada funo) existente em cada um litro de soluo. Osm ou osmol/l..............................indica o nmero de moles de partculas de soluto, ou seja, o nmero de osmoles existente em cada um litro de soluo. mOsm ou mosmol/l.........................indica o nmero de milimoles de partculas de soluto existente em cada um litro de soluo A converso de uma unidade de medida em outra pode ser feita facilmente atravs de fatores de converso ou de proporcionalidade. Por exemplo: a converso de g/l para mol/l feita utilizando-se a massa molecular como fator de converso. Para transformar concentraes de mol/l para osmol/l, utiliza-se o fator de Van`t Hoff (i). As converses de g para mg ou l para ml no necessitam comentrios. V - REGRAS DE DILUIO

A concentrao de uma soluo pode ser modificada por meio de trs processos. 1 - Acrescentando-se ou retirando-se solvente (V) 2 - Acrescentando-se ou retirando-se soluto (Q) 3 -Acrescentando-se ou retirando-se soluto(Q) e solvente (V) na forma de soluo a uma concentrao diferente. Se a concentrao final (Cf) for menor que a inicial (Ci) dizemos que a soluo foi diluda, ao contrrio, que foi concentrada. Em qualquer caso, porm, o Princpio da Diluio estabelece que a quantidade final de soluto (Qf) ser obrigatoriamente igual quantidade inicial (Qi) somada quantidade acarescentada (+Qa) ou retirada (-Qa). Qf = Qi Qa sendo: Qf = Cf . Vf Qi = Ci . Vi Qa = Ca . Va e Vf = Vi Va

Como, em qualquer soluo, a quantidade de soluto sempre igual ao produto da concentrao pelo volume, podemos substituir na equao anterior e obter uma nova equao com a qual podemos calcular a concentrao da soluo modificada (Cf).

Cf . Vf Qf

= =

Ci . Vi _ Qi

Ca . Va Qa

Quando ocorrer alteraes apenas no volume da soluo (processo 1) quantidade final (Qf) de soluto permancecer igual inicial (Qi). As equaes anteriores sero simplificadas pois o ltimo termo (Qa) nulo: Qf = Qi e Cf . Vf = Ci . Vi sendo Vf = Vi Va

Devemos chamar a ateno para o uso de unidades COERENTES nessas equaes. Multiplicar C em moles/l por V em ml ou querer obter Cf em moles/l expressando Ci em g / l absurdo ! Na rea biomdica, muitas substncias so prescritas e administradas com base no peso corporal do paciente e divididas em mais de uma tomada por dia. As doses dirias ou fracionadas (de 12/12 hs, de 8/8 hs, etc.) podem ser facilmente obtidas por simples regras de proporcionalidade, sabendo-se o peso corporal do paciente. Se, por exemplo, um medicamento apresentado na forma de suspenso a 100mg/ml, deve ser administrado na dose de 40mg/kg . dia (40 mg por kg de peso por dia) dividido em quatro tomadas, como deveria ser a prescrio desse medicamento para um indivduo de 50 kg de peso corporal ? 1 kg..........40 mg 50 kg.......... x mg 2000 mg..........1 dia (24 hs) Y mg..........1/4 dia (6 hs) 100 mg..........1 ml

x (dose diria) = 2000 mg

Y (dose fracionada) = 500 mg

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500 mg..........Z ml

Z (volume da suspenso) = 5 ml

Prescrio: Tomar 5ml da suspenso (que contm 500mg do medicamento) de 6 em 6 horas (quatro vezes por dia).

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Composio e propriedades fsico-qumicas Dos compartimentos dos organismos superioresI- INTRODUO Os animais unicelulares ou de pequenssimo porte captam diretamente do ambiente o oxignio e as substncias nutritivas necessrias sua sobrevivncia e lanam, tambm diretamente no meio ambiente, os produtos resultantes do seu metabolismo. So portanto bastante suscetveis a variaes do meio e, se no dispem de meios de locomoo ativa ou passiva, morrem aps um certo tempo porque consomem todos os nutrientes disponveis. Os animais multicelulares, como o homem por exemplo, no podem, evidentemente, depender da captao DIRETA de oxignio e nutrientes, e nem da eliminao DIRETA de catablitos no meio ambiente. Se assim fosse, apenas as clulas superficiais sobreviveriam e, alm disso, o animal teria que viver num meio aquoso (mergulhado em uma salmoura). Para solucionar esse problema, a natureza (?) desenvolveu, nos animais superiores, sistemas especializados em determinadas funes. Cada sistema constitudo por rgos, que por sua vez so constitudos por tecidos e estes por clulas. Assim: - separando o animal do ambiente externo e desempenhando um papel de proteo, temos o sistema tegumentar. Essa proteo inclue a defesa contra agentes biolgicos nocivos ou contra a perda de gua, eletrlitos ou calor pelo organismo. - para a captao do oxignio e eliminao do gs carbnico temos o sistema respiratrio. - para a digesto dos alimentos, absoro dos nutrientes e da gua e eliminao dos resduos temos o sistema digestrio. - para a distribuio do oxignio e dos nutrientes a todas as clulas do organismo e para a coleta do gs carbnico e dos catablitos por elas produzidos temos o sistema circulatrio ou cardiovascular. - para a depurao do sangue, eliminao de substncias txicas no volteis como a uria, controle e manuteno do volume hdrico, do pH e da osmolaridade do organismo temos o sistema urinrio. - para a locomoo em busca de alimento ou para a defesa do animal temos o sistema steo-muscular. - para a determinao das caractersticas sexuais e para a perpetuao da espcie temos o sistema reprodutor. - por fim, para possibilitar o funcionamento harmnico dos sistemas anteriores, controlando o organismo como um todo, temos o sistema neuro-hormonal que, alm disso, permite ao animal especialmente ao homem o relacionamento social e a execuo de atividades intelectuais. Nos animais unicelulares basta a membrana citoplasmtica para separar o meio intracelular do meio ambiente. Alm dessa funo de compartimentalizao a membrana celular tambm controla o intercmbio entre os meios intra e extracelular. Os animais multicelulares, com o grande nmero e a variedade de clulas individuais que possuem, necessitam de sistemas especiais de controle de intercmbio. Como so constitudos por diversos sistemas cuja clulas nem sempre esto em contato direto com o ambiente, tm que desenvolver para si um meio ambiente interno que possibilite o intercmbio entre todas as clulas, atravs do sistema circulatrio, e tambm o intercmbio com o meio ambiente externo atravs do sistema tegumentar, respiratrio e urinrio. O controle qualitativo e quantitativo desse meio ambiente interno de suma importncia para a sobrevivncia do animal. Do ponto de vista fsico-qumico um animal nada mais do que uma soluo aquosa, pois cerca de 65% de seu peso gua. O restante constitudo pelos diversos solutos existentes nos seres vivos como os pequenos compostos orgnicos e inorgnicos e as macromolculas. II-PROPRIEDADES FSICAS DA GUA As propriedades fsicas da gua demonstram porque a natureza a elegeu espontaneamente o maior componente da matria viva. A gua constitui cerca de 60 a 70% do peso corporal dos animais superiores. Alm do seu admirvel poder solvente, que suplanta o dos demais lquidos, outras propriedades comprovam a necessidade vital da gua. II.1-Estrutura da gua A molcula de gua consiste de dois tomos de hidrognio (H) ligados por ligao covalente a um tomo de oxignio (O). Vrias experincias comprovam que a molcula de gua no linear, isto , os seus tomos no esto em linha reta, mas sim formando uma cadeia dobrada segundo um ngulo de 105 graus. A estrutura molecular da gua est representada na figura abaixo: H / (-) O (+) 105 graus \ H Trata-se de uma molcula dissimtrica; os dois tomos de hidrognio esto do mesmo lado em relao ao oxignio. Esta configurao confere molcula de gua as propriedades de um dipolo pois, sendo o oxignio mais eletronegativo, atrai com mais fora os eltrons das ligaes com os dois tomos de hidrognio. Forma-se assim uma regio negativa em torno do tomo de oxignio e uma regio positiva em

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torno dos tomos de hidrognio. Por isso, a gua , entre todos os solventes, o mais ionizante e tambm aquele que, para os eletrlitos, tem o maior poder de dissociao. Ainda pela mesma razo, as molculas de gua so unidas por pontes de hidrognio, como mostra a figura: H \ / H / O .....H -- O H H \ O : H \ O As linhas cheias representam ligaes covalentes e as linhas interrompidas, ligaes secundrias chamadas ligaes por pontes de hidrognio ou pontes de hidrognio. No espao, a estrutura tetradrica. A ligao por pontes de hidronio a causa de algumas propriedades especiais da gua. uma ligao que pode ser classificada como ligao qumica, mas que excepcionalmente, de fraca energia (~- 5 Kcal/mol). A ligao por pontes de hidrognio ocorre em virtude da atrao de um prton ou um on hidrognio por dois tomos fortemente eletronegativos pertencentes a duas molculas ou grupamentos atmicos distintos. Seu interesse grande porque: - encontrada na gua, no ponto em que une as molculas (de modo que poderia ser qualificada como ligao fsica) em muitos constituintes do organismo. encontrada tambm em macromolculas como as protenas e os cidos nucleicos, nas quais muito contribui para a manuteno da estrutura espacial dessas molculas. - tem fraca energia, o que permite o seu fcil rompimento. Quanto maior a temperatura de um sistema, menor a quantidade de pontes de hidrognio existente. As pontes de hidrognio implicam numa forte associao das molculas isto , numa forte coeso. Isso explica a forte tenso superficial e o ponto de ebulio elevado para uma molcula to leve como a gua. No estado gasoso, a gua se apresenta sob a forma de mono-hidrol (H-O-H), de peso molecular igual a 18g/mol. No estado lquido, porm, a polaridade da gua permite a associao de molculas entre s, atravs de pontes de hidrognio, com a formao de di-hidrol (H-O-H)2 ou tri-hidrol (H-OH)3 em diferentes propores dependendo da temperatura. O gelo, ou seja, a gua no estado slido, parece que est unicamente na forma de tri-hidrol. II. 2-Calor especfico ( c = Q / m . t ) H \ / H.......O / H

H /

Calor especfico de uma substncia corresponde quantidade de calor necessria para variar de 1 grau Celsius a temperatura de 1 g dessa substncia. Quanto maior o calor especfico de uma substncia, maior sua capacidade de absorver, armazenar ou ceder grandes quantidades de calor sem sofrer grandes variaes de temperatura. Em condies ordinrias de temperatura e presso a gua, entre todos os lquidos, o que tem maior calor especfico: 1 cal/g.C. Significa que deve-se retirar ou acrescentar 1 cal a cada 1 g de gua para que haja uma variao de temperatura de 1C ou ou 100 cal para cada 100 g para variar a temperatura de 1C. Esta propriedade fsica da gua de grande importncia para os seres vivos pois permite que ela se comporte como um tampo ou amortecedor trmico, impedindo que ocorram grandes variaes da temperatura celular em decorrcia do calor liberado durante as reaes biolgicas. Nos animais superiores, a contnua movimentao da gua atravs do sistema circulatrio facilita a distribuio do calor por todas as partes do organismo e o intercmbio com o meio ambiente. Para ilustrar, admitamos a existncia hipottica de dois animais A e B, sendo o animal A composto de 200 g de gua e o animal B de 200 g de uma substncia cujo calor especfico igual a 0,2 cal/g.oC. Suponhamos que esses animais estejam a uma temperatura de 37oC e efetuem uma mesma reao biolgica com a liberao de 100 cal. Supondo ainda que todo o calor liberado permanea nos animais, quais sero suas temperaturas aps as reaes?

Animal A m = 200 g c = 1 cal / g.C Q = 100 cal ti = 37 C t = ? tf = ti + t = ?

Animal B m = 200 g c = 0,2 cal / g.C Q = 100 cal ti = 37 C t = ? tf = ti + t = ?

-------------------------------------------------------------------------------------------------c = Q / m . t donde t = Q / m . c

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-------------------------------------------------------------------------------------------------100 cal t = ---------------------------200 g . 1 cal / g . C 100 cal t = ---------------------------200 g . 0,2 cal / g . C

t = 0,5 C t = 2,5 C tf = 37 C + 0,5 C = 37,5 C tf = 37 C + 2,5 C = 39,5 C -------------------------------------------------------------------------------------------------O animal A, composto de gua, sofreu apenas uma variao de temperatura de meio grau Celsius, enquanto o animal B sofreu uma variao de temperatura cinco vezes maior. Com mais 100 cal, a temperatura do animal A elevar-se-ia para 38 C, ao passo que a do animal B atingiria 42 C. II.3-Calor latente de mudana de estado(L= Q/m) Denomina-se calor latente de uma substncia a quantidade de calor necessria para mudar 1g dessa substncia de um estado fsico para outro. Assim, podemos ter calor latente de fuso, solidificao, evaporao, condensao, sublimao, etc. Nas temperaturas usuais suportadas pelos seres vivos, as mudanas de estado que podem ocorrer com a gua so a passagem de slido para lquido (fuso), ou o inverso (solidificao) e a passagem de lquido para vapor (evaporao), ou o inverso (condensao). O calor latente de fuso/solidificao da gua de 80 cal/g e o de evaporao/condensao de 540 cal/g. Quer dizer, para se congelar um grama de gua necessrio retirar da mesma 80 calorias, enquanto que para evaporar um grama de gua preciso ceder-lhe 540 calorias. Sendo relativamente grande, o calor latente de solidificao da gua dificulta o seu congelamento; o que seria desastroso para os seres vivos. O elevado calor latente de evaporao da gua uma propriedade fsica de grande importncia na regulao da temperatura corporal porque permite que o organismo libere grandes quantidades de calor, por meio da evaporao, sem perder grandes quantidades de gua. A evaporao da gua ao nvel da pele e das vias respiratrias se faz s custas do calor interno do organismo, isto , a gua ao evaporar-se retira calor do corpo. Este um importante mecanismo de regulao da temperatura corporal, mas seria extremamente prejudicial se o calor latente de evaporao da gua fosse pequeno pois, para eliminar uma determinada quantidade de calor o organismo teria que perder uma grande quantidade gua, o que poderia lev-lo rapidamente a uma desidratao e morte. Imaginemos novamente a existncia de dois animais A e B, sendo A composto de 200 g de gua e B de 200 g de uma substncia lquida cujo calor latente de evaporao vale 108 cal/g. Suponhamos que esses animais necessitam perder, por evaporao, 1080 calorias. Quais as quantidades de lquidos que deveriam evaporar? Animal A Q = 1080 cal L = 540 cal/g m = ? m= Q L = 1080cal = 2g 540 cal/g Animal B Q = 1080 cal L = 108 cal/g m = ? m= Q L = 1080cal = 10g 108 cal/g

O animal A perderia apenas 1% da sua massa enquanto o animal B perderia 5% para eliminar a mesma quantidade de calor. II.4 - Tenso superficial A tenso superficial da gua maior do que a de qualquer outro lquido, com exceo do mercrio. Esta propriedade de grande importncia no estudo fsico-qumico dos fenmenos de superfcie, como os que se observam nos colides. ---------------------------------------------------------------------------Tenso superficial (20C ) ---------------------------------------------------------------------------gua 72,7 dina/cm Glicerina 65,2 dina/cm Benzeno 27,9 dina/cm Acetato de etila 23,3 dina/cm ------------------------------------------------------------------------II.5 - Constante dieltrica A gua possui uma constante dieltrica elevada em virtude da polarizao existente nas suas molculas. Esta propriedade lhe permite separar e manter partculas de carga oposta sob a forma dissociada ou mesmo ionizar substncias moleculares:

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NaCl H2O H2O

+ + +

H2O HCl NH3

----------------> -----------------> ----------------->

Na

+ aq +

+ + +

Cl aq Cl-

-

H2OH HO-

NH3

+

Por fim, a polaridade da gua induz at reaes, embora fracas, entre duas molculas de gua: H \ O / H H + / H H \ O / H H \ OH+

+ /

O

-

-------------------------------------------------------------Constantes dieltricas -------------------------------------------------------------cido ciandrico 95 gua oxigenada 93 Formamida 84 gua 82 cido frmico 62 Etanol 26 -------------------------------------------------------------A gua se apresenta livre ou ligada a certas partculas coloidais, formando a chamada bainha de hidratao. a gua ligada aos emulsides do plasma, isto , as protenas, que vai influir na presso osmtica do plasma, a qual se denomina presso onctica ou coloidosmtica.

III-DISTRIBUIO DE GUA E SOLUTOS NOS ORGANISMOS SUPERIORES. Dissemos anteriormente que os seres vivos nada mais so que solues aquosas. No se trata, porm, de uma soluo nica e homognea pois a existncia de diversas membranas possibilita o fracionamento da soluo total em compartimentos que apresentam composio e propriedades, s vezes, bastante diferentes. Essas diferenas de concentrao e de propriedades entre dois ou mais compartimentos decorrem obviamente das propriedades das membranas que os separam como por exemplo permeabilidade e capacidade de transporte ativo. Esquematicamente podemos dividir um animal superior em dois grandes compartimentos ou lquidos: o lquido intracelular (LIC) e o lquido extracelular (LEC). O LIC seria o conjunto de todas as clulas do organismo e corresponde a cerca de 40% de peso corporal. lgico que se trata de uma abstrao pois cada clula indivdual tem seu LIC particular. O LEC seria um meio ambiente interno, ou seja, o lquido atravs do qual se realiza o intercmbio entre as diversas clulas e sistemas do organismo e entre o organismo e o meio ambiente externo. Corresponde a cerca de 20% do peso corporal e subdividi-se em dois compartimentos: o lquido intravascular (LIV) ou plasma e o lquido intersticial (LIT). Este ltimo corresponde a 15% do peso corporal e compreende o lquido existente entre as clulas e o compartimento intravascular. O LIT est separado do compartimento intravascular, ou seja, do sistema circulatrio pela parede dos vasos sanguneos, mais especificamente, pela membrana dos capilares que onde verdadeiramente ocorre o intercmbio entre esses dois compartimentos. O lquido intersticial (LIT) funciona como um tampo protetor para as clulas, amortecendo variaes de concentrao, de osmolaridade, de pH ou at mesmo de temperatura que ocorram bruscamente no compartimento intravascular (sangue). ------------------------------------------------------------------------------------------------Distribuio da gua nos organismos superiores * -------------------------------------------------------------------------------------------------Volume lquido total (VT) 60% Lquido intracelular (LIC) 40% Lquido extracelular (LEC) 20% Lquido intersticial (LIT) 15% Lquido intravascular (LIV) 5% -------------------------------------------------------------------------------------------------* Porcentagem mdia (v / p) em relao ao peso corporal -------------------------------------------------------------------------------------------------A osmolaridade normal dos lquidos corporais, no homem, de 0,3 Osm (0,3 osmol/l). Conhecendose o peso corporal de um animal pode-se determinar o volume (V) e a quantidade de soluto (Q) em cada compartimento. Assim, para um homem de 80kg teramos os seguintes valores: --------------------------------------------------------------------------------------------------

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VT = 48 l C = 0,3 osmol/l Qt = 14,4 osmol -------------------------------------------------------------------------------------------------LIC | LEC | V = 16 l C = 0,3 osmol/l Q = 4,8 osmol |--------------------------------------------------------------------| LIT | LIV V = 32 l | V = 12 l | V = 4 l C = 0,3 osmol/l | C = 0,3 osmol/l | C = 0,3 osmol/l Q = 9,6 osmol| Q = 3,6 osmol | Q = 1,2 osmol -------------------------------------------------------------------------------------------------Observe-se que a osmolaridade dos trs compartimentos a mesma. Isto ocorre em virtude das membranas celular e capilar serem totalmente permeveis gua . Havendo alterao da osmolaridade em um at que um novo equilbrio seja alcanado. O contedo lquido dos animais varia com a idade e com o sexo. Alm disso, cada tecido possue compartimento, a gua se desloca por osmose do compartimento menos concentrado para o mais concentrado uma concentrao prpria de gua: -------------------------------------------------------------------------------------------------Msculos 75-80% Tecido nervoso 70-85% Tecido conjuntivo 60% Hemcias 60% Tecido sseo 25% Tecido adiposo 20% -------------------------------------------------------------------------------------------------IV-DISTRIBUIO DOS SAIS Nos lquidos corporais, quase todos os cidos, bases e sais se apresentam como partculas carregadas de eletricidade, os ons, em virtude da elevada constante dieltrica da gua. Os compostos que formam ons em soluo so chamados eletrlitos. Existem eletrlitos fortes , que se apresentam totalmente ou quase totalmente sob a forma dissociada ou ionizada, como o cloreto de sdio, o cido clordrico, ou o bicarbonato de sdio; e outros, os eletrlitos fracos, que se encontram parcialmente dissociados ou ionizados, como o cido actico ou o cido carbnico . Os ons carregados positivamente so os ctions, e os carregados negativamente so os nions. Os ons de importncia fisiolgica so: Ctions: H , Na , K , Ca , Mg , NH = nions : OH , HCO3 , Cl , H2 PO4 ,HPO4 , proteinatos(prot ) = e SO4 . No organismo como um todo, o nmero de ons carregados positivamente deve ser equilibrado por igual nmero de cargas negativas. Deste modo, necessrio que os ctions e nions existentes nos lquidos corporais, embora possuam molaridade diferentes, tenham a mesma equivalncia eletroqumica. A equivalncia eltrica, porm, no necessariamente igual a equivalncia osmtica. Um ++ mol de Ca equivale osmoticamente a um mol de Cl , mas os dois no se equivalem eletricamente. -------------------------------------------------------------------------------------------------COMPOSIO DOS LQUIDOS DOS COMPARTIMENTOS DOS ANIMAIS SUPERIORES * -------------------------------------------------------------------------------------------------Lquido Extracelular (LEC) ( LIC ) L . Intracelular --------------------------------------------------------------Plasma (P) L. Intersticial -------------------------------------------------------------------------------------------------Na+ 142 Na+ 143 K+ 157 K+ 5 K+ 4 Na+ 14 Ca++ 5 Ca++ 5 Mg++ 26 Mg++ 3 Mg++ 3 Ca++ ------------------- ------------------------------------------------- ----155 155 197 HCO3- 27 HCO3- 27 HCO3- 10 Cl103 Cl117 HPO4-- 2 HPO4-- 2 HPO4-- 117 SO4-1 SO4-1 SO4--c. Org. 6 c. Org. 6 c. Org. 6 prot16 prot2 prot70 --------------------------------------------------------------------------155 155 197 -------------------------------------------------------------------------------------------------* As concentraes so expressas em mEq / l+ + + ++ ++ +

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V-se, pelo quadro acima, que h marcantes diferenas entre a composio do lquido + + intracelular (LIC) em relao ao extracelular (LEC) principalmente no que diz respeito ao Na e ao K , sendo + + o Na o ction predominante do LEC e o K do LIC. Com relao aos nions, o Cl do LEC substitudo pelo = HPO4 no LIC. Entre o plasma e o lquido intersticial, a principal diferena a presena de uma maior concentrao de macromolculas (protenas) no primeiro. Essas partculas desempenham importante papel na manuteno da tonicidade do compartimento intravascular e no intercmbio de lquidos atravs dos capilares. + + As diferenas de concentrao dos ctions Na e k entre o lado interno e externo das clulas no so obtidas por simples difuso, mas po um processo metablico complexo, que constitue o chamado transporte ativoassociado a propriedades passivas da membrana celular como a permeabilidade seletiva. V- MECANISMOS DE TROCA DE SUBSTNCIAS ENTRE OS COMPARTIMENTOS. As foras que promovem o movimento de gua e de pequenas molculas atravs das membranas dos compartimentos so: difuso, filtrao, osmose e transporte ativo. A DIFUSO consiste no espalhamento de uma substncia devido simplesmente ao movimento aleatrio de suas molculas ou partculas constituintes. Pode ser difuso simples, quando ocorre num meio homogneo, ou difuso atravs de uma membrana. Existindo a substncia nos dois lados da membrana, a difuso se faz nos dois sentidos. No cmputo geral, porm, o transporte efetivo se faz da regio de maior concentrao para a de menor concentrao. Denomina-se FILTRAO o processo de transferncia de substncias atravs de uma membrana por mieo de um gradiente de presso hidrosttica. A natureza da membrana, ou seja, o dimetro dos seus poros, quem determina quais as partculas que podero ou no atravess-las. A filtrao constitue um importante mecanismo de troca de substncias entre os compartimentos intravascular e intesticial atravs das paredes dos capilares. Normalmente, a membrana dos capilares amplamente permevel gua e pequenas molculas e impermevel s macromolculas como as protenas e os polissacardeos. A OSMOSE consiste na transferncia efetiva de solvente de uma soluo menos concentrada para outra mais concentrada atravs de uma membrana quando esta permevel apenas ao solvente. Dependendo do dimentro dos poros, durante o fenmeno da osmose, alm do solvente podem ser transportadas tambm pequenas molculas ou partculas nele dissolvidas. Todos os processos vistos anteriormente so classificados como TRANSPORTE PASSIVO porque a transferncia de substncias se faz s custas da energia dos gradientes j existentes no sistema. A membrana no necessita realizar nenhum travalho para que o processo ocorra: existindo um gradiente (de concentrao, eltrico, de presso hidrosttica ou osmtica) e sendo a membrana permevel, o transporte se efetua PASSIVAMENTE, ESPONTANEAMENTE. Considerando-se TRANSPORTE ATIVO, a transferncia UNIDIRECIONAL de uma substncia atravs de uma membrana INDEPENDETEMENTE ou at mesmo CONTRA um gradiente qualquer. Esse processo necessita de uma fonte externa de energia pois, de outro modo no poderia manter o transporte em uma nica direo nem vencer um gradiente contrrio que mesmo no existindo de incio, apareceria logo que fosse iniciado o processo. Normalmente, as membranas biolgicas obtm na hidrlise do ATP a energia necessria para executar seus transportes ativos. As membranas podem ser estudadas quanto permeabilidade a uma substncia, ou seja, a um soluto, ou a uma soluo. Quanto permeabilidade a uma soluo as membranas podem ser classificadas como PERMEVEIS, POUCO PERMEVEIS, ou IMPERMEVEIS, conforme o grau de facilidade com que se deixam atravessar pela referida substncia. Quanto permeabilidade a uma soluo as membranas podem ser classificadas como PERMEVEIS, quando se deixam atravessar pelo soluto e pelo solvente; SEMI-PERMEVEIS, quando se deixam atravessar apenas pelo solvente e IMPERMEVEIS, quando no se deixam atravessar nem pelo solvente nem pelo soluto. claro que uma mesma membrana pode ser permevel a uma soluo e semipermevel a outra. A ltima classe de membranas (impermeveis) poderia ser associada a estruturas qeratinides nos seres vivos. VI - OSMOSE, OSMOLARIDADE, PRESSO OSMTICA E TONICIDADE Denomina-se OSMOSE, a transferncia efetiva de solvente atravs de uma membrana semipermevel, como decorrncia de um gradiente de concetrao do soluto entre os dois compartimentos separados pela membrana. Na realidade, a osmose uma caso particular de difuso atravs de uma membrana. A B A B

....... ...... M ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .......... ............ .......... ............ .......... ............

...... ....... ...... M ....... .. . . . . . . . . . .. .......... ............ .......... ............ .......... ............

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(Incio)

(Equilbrio)

Consideremos o esquema acima constitudo por dois compartimentos A e B, separados por uma membrana M, permevel apenas gua. Coloquemos no compartimento A 2 litros e no compartimento B 1 litro de gua pura. Sendo a membrana permevel, haver um fluxo contnuo de gua de A para B e de B para A, devido ao movimento aleatrio das molculas que resulta em choque das mesma entre si e com as paredes do recipiente, e portanto, com a superfcie da membrana. Como, porm, as molculas no lado A esto submetidas a uma presso hidrosttica maior que no lado B, o fluxo de A para B ser maior que de B para A. Teremos ento uma transferncia efetiva de gua de A para B at que as duas presses se igualem. Nesse ponto o sistema atingiu um estado de equilbrio dinmico em que os fluxos de A para B e de B para A continuam existindo, porm, com a mesma intensidade. importante frisar que o processo de transporte efetivo da gua de A para B se efetuou em decorrncia de um gradiente de presso hidrosttica: no tem nada a ver com osmose. Estando o sistema em equilbrio hidrosttico, coloquemos no lado A 0,15 mol de glicose (G). Teremos ento uma soluo 0,1 M no lado A e solvente puro no lado B.

A

B

0,1 M (G)

....... . . . . . . .. M ............ .............

gua

Com relao s presses hidrostticas, o sistema continua em equilbrio. Teremos agora, no entanto, um desequilbrio de concentrao. Como a membrana impermevel glicose, se poder supor que nada mais aconteceria ao sistema pois, apesar de estar submetida a um gradiente de concentrao, a glicose no pode passar para o lado B e atingir assim um equilbrio de concentrao. Infelizmente, a soluo no to simples assim: o sistema est desequilibrado e, como tudo no universo, tende espontaneamente para um estado de equilbrio. O desequilbrio foi estudado com relao glicose mas, ele existe tambm com relao gua. A presena do soluto no lado A diminue a energia cintica mdia das molculas do solvente nesse compartimento. Isto , a energia cintica mdia das molculas de gua no lado B (solvente puro) maior que no lado A (soluo), pois, nesta parte da energia cintica das molculas da gua transferida para as partculas do soluto. Disso resulta que a energia cintica mdia (a presso) com que as molculas de gua se chocam no lado A da membrana menor que no lado B. Alm disso, as partculas do soluto no lado A tambm se movem aleatoriamente e se chocam com a superfcie da membrana. Os choques do soluto, porm, so ineficazes e apenas tomam o lugar de um choque que poderia ser de uma molcula de gua. Esses dois fatores em conjunto, ou seja, a diminuio da energia cintica mdia e a diminuio do nmero de choques do solvente no lado A fazem com que o fluxo de gua de A para B seja menor que de B para A. Haver ento um fluxo efetivo do solvente do lado B (solvente puro) para o lado A (soluo), o que constitue o fenmeno da OSMOSE. A 0,1 M (G) ..... M ......... .......... ......... B A B

gua .. . . . ..... M .. . . . . . . . . . ........... . . .. . . . . . . .

(incio)

(equilbrio)

A passagem do solvente de B para A gera um gradiente de presso hidrosttica e vai diminuindo a concentrao do soluto no lado A. Esses dois fatores promovem um aumento da energia cintica e do numero de choques do solvente no lado A, o que resulta em aumento do fluxo de A para B. Por outro lado, a diminuio da presso hidrosttica no compartimento B leva a uma diminuio da pressode choque das molculas na membrana, o que resulta numa diminuio do fluxo de B para A. Assim, a passagem do solvente por osmose cria um gradiente de presso hidrosttica que dificulta a continuao do processo e facilita o fluxo em direo inversa. O sistema atingir o equilbrio quando os dois fluxos, de A para B e de B para A, novamente se igualarem.

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Observe-se que o sistema est em equilbrio como um todo, apesar de no estar em equilbrio hidrosttico. Esse desequilbrio hidrosttico existe justamente para contrabalanar o desequilbrio osmtico. O gradiente hidrosttico tem um sentido inverso ao gradiente osmtico. A presso com que o solvente transferido para a soluo chamada PRESSO OSMTICA e pode ser medida indiretamente pela presso que se deveria exercer sobre a soluo para impedir a passagem do solvente.

. . . . . . . . ... ........... M . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

A presso osmtica total e permanente de uma soluo s evidenciada quando a soluo separada do seu solvente puro por uma membrana estritamente SEMI-PERMEVEL. Estudando o fenmeno da osmose, Pfeffer demostrou experimentalmente que: 1 - Mantendo-se constante a temperatura, a presso osmtica (PO) diretamente proporcional OSMOLARIDADE da soluo, ou seja, concentrao de partculas de soluto. 2 - Mantendo-se constante a osmolaridade, a presso osmtica diretamente proporcional TEMPERATURA ABSOLUTA da soluo. Essas relaes, em conjunto, so representadas pela equao abaixo, onde K uma constante de proporcionalidade que independente do tipo, ou seja, da natureza qumica do soluto. PO = K . Osm . T Vant Hoff, analisando a equao derivada dos estudos de Pfeffer, notou que a osmolaridade corresponde relao entre o nmero de moles de partculas; ou seja, o nmero de osmoles (n) e o volume da soluo (v).. (Osm = n/V). Substituindo e fazendo um rearranjo, obteve a equao ..... PO . V = n . K . T que idntica equao de Clapeyron, para o comportamento dos gases perfeitos : P . V = n . R . T Experimentalmente demonstrou-se que o valor de K na equao de Vant Hoff igual ao valor de R (constante dos gases perfeitos) na equao de Clapeyron, o que leva suposio de que, idealmente, as partculas de um soluto se comportam como as molculas de um gs ocupando o mesmo volume da soluo. Porm, do mesmo modo como os gases reais s obedecem equao de Clapeyron quando esto submetidos a baixas presses, as solues reais s obedecem a equao de Vant Hoff quando esto em baixas concentraes, isto , quando esto muito diludas. No clculo da presso osmtica de uma soluo mais conveniente utilizar a equao de Pfeffer: PO = K . Osm . T onde K = 0,082 atm . l / osmol . T Tratando-se de solues de eletrlitos, a osmolaridade igual molaridade multiplicada pelo fator de Vant Hoff (i) da substncia (Osm = M . i). No caso de solues moleculares, ou seja, que no se ionizam nem se dissociam, o fator de Vant Hoff igual a 1 (um) e a osmolaridade torna-se numericamente igual a molaridade. Quando se estudam os fenmenos de osmose, aconselhvel expressar sempre a concentrao em OSMOLARIDADE (Osm ou Osm/l). A osmolaridade usada ainda para se classificar uma soluo em relao a outra. Se as duas solues tm a mesma osmolaridade, so classificadas como ISOSMOLARES. Se uma tm uma osmolaridade maior que a outra, a primeira classificada como HIPEROSMOLAR em relao segunda e a segunda classificada comoHIPOSMOLAR em relao primeira. Nota-se que, para classificar duas ou mais solues quanto osmolaridade, no necessrio coloc-las em contato atravs de uma membrana. Pode uma soluo estar aqui e a outra em Belo Horizonte. Basta telefonar daqui, as solues so isosmolares ; se a de l for maior que a daqui, a de l hiperosmolar em relao daqui. Solues isosmolares desenvolvem a mesma presso osmtica quando so separadas do solvente por membranas SEMI-PERMEVEIS. Quais seriam, por exemplo, as presses osmticas a 27C de uma soluo de glicose a 36 g/l e de uma soluo de cloreto de sdio a 5,85 g/l, quando as mesmas forem separadas dos seus solventes puros por membranas semi-permeveis? (Considere-se o NaCl 100% dissociado) DADOS: Glicose: NaCl: T = 27 + 273 = 300 K T = 27 + 273 = 300 K i = 1 osmol / mol i = 2 osmol / mol C = 36 g / l C = 5,85 g / l M = 36 g / l = 0,2 mol / l 180 g / mol Osm = 0,2 mol/l . 1 osmol/mol M = 5,85 g / l = 0,1mol/l 58,5 g / mol Osm = 0,1 mol/l . 2 osmol/mol

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Osm = 0,2 osmol / l

Osm = 0,2 osmol / l PO = K . Osm . T PO = 0,082 atm.l/osmol.K . 0,2 osmol/ l . 300 K = 4,92 atm Embora as solues tenham diferentes concentraes em g/l e mol/l apresentam a mesma presso osmtica. Isto ocorre porque as duas solues tm a mesma osmolaridade e esto em contato com membranas semi-permeveis. Esquematicamente, teramos estados de equilbrios exatamente iguais quando colocassmos as duas solues em contato com solventes puros: A B A B

x x x x o (equilbrio) (equilbrio) ( x ) NaCl ( o ) Glicose Podemos observar que cada soluo aumenta de volume s custas de solvente que retirado do outro compartimento. Poderamos definir o POTENCIAL OSMTICO de uma soluo como sendo a sua capacidade de ganhar ou absorver solvente, por osmose, quando est separado do mesmo por uma membrana SEMI-PERMEVEL. O potencial osmtico uma decorrcia da presso osmtica e portanto da osmolaridade da soluo: quanto mais concentrada uma soluo maior sua presso osmtica e maior seu potencial osmtico. Disso resulta tambm que solues ISOSMOLARES tm a mesma presso osmtica e o mesmo potencial osmtico. O que aconteceria se colocssemos um litro da soluo de NaCl no lado A e um litro de glicose no lado B, utilizando um nico dispositivo. A B o o o

NaCl 0,2 Osm 4,92

M

Glicose 0,2 Osm 4,92 atm

Nenhum dos compartimentos aumentaria de volume s custas do outro pois as solues exercem a mesma presso osmtica, ou seja, tm o mesmo potencial osmtico, s que, em sentidos inversos. Donde se conclui que tratando-se de uma membrana semi-permevel, no existindo gradiente de presso osmtica no ocorre transferncia efetiva de solvente por osmose. E se colocssemos dois litros da soluo de NaCl no lado A e apenas um litro da soluo de glicose no lado B ? A B A B

M

M

(Incio) (Equilbrio) NaCl (0,20 Osm) Glicose (0,20 Osm) Haver uma transferncia efetiva de solvente de A para B. Nesse porm, o processo no pode ser denominado de osmose porque ocorreu em decorrncia de um gradiente de presso hidroststica e no osmtica. As duas solues tinham, inicialmente, a mesma presso e portanto o mesmo potencial pois continuam sendo isosmolares. interessante observar que no equilbriuo as presses hidrostticas (os nveis lquidos) no so iguais. Isto ocorre porque, medida que o solvente se desloca de A para B devido ao gradiente hidrosttico, a osmolaridade do NaCl vai aumentando, a da glicose vai diminuindo e comea a aparecer um gradiente de sentido inverso ao gradiente hidrosttico. O equilbrio atingido quando o fluxo de A para B devido ao gradiente hidrosttico se iguala ao fluxo de B para A devudi ai gradiente osmtico. Temos o inverso do que ocorreu no esquema mostrado na pgina 16: l um gradiente de concentrao (ou osmtico) gerou um gradiente hidrosttico de sentido inverso.

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Se tivssemos colocado volumes diferentes das solues de modo que as mesmas no ficassem submetidas a um gradiente de presso hidrosttica, no haveria nenhum transporte efetivo de solvente. Poderamos obter tal situao utilizando o esquema abaixo. A B NaCl 0,2 Osm M Glicose 0,2 Osm

No se deve portanto atribuir OSMOSE qualquer transporte efetivo de solvente. Analisemos agora o que ocorreria se colocssemos no lado A um litro de soluo de glicose 0,4 Osm. A membrana continua sendo SEMI-PERMEVEL a ambas as solues. Quanto ao aspecto hidrosttico, no h nenhum desequilbrio. Logo, se houver algum transporte, este no pode ser atribudo a um gradiente de presso hidrosttica. Antes de conluir como seria alcanado o equilbrio, imaginemos o que aconteceria se colocssemos separadamente as solues nos seus respectivos compartimentos em contato com seus solventes puros. O NaCl exerceria uma presso osmtica de 4,92 atm transportanto solvente no sentido de B para A. A glicose, por sua vez, exerceria uma presso duas vezes maior (9,84 atm) transportando solvente no sentido A para B. Colocando agora as duas solues em contato atravs da membrana, quem ganharia? As solues no so mais ISOSMOLARES e portanto no tm mais o mesmo potencial osmtico. Assim, ganha o compartimento que possuir maior potencial osmtico, ou seja, maior capacidade de retirar solvente do outro compartimento. A B A B

. . .

. . . .. . . . .

M

o o o o o o o o o o

o o

M

(Incio) (Equilbrio) NaCl 0,2 Osm Glicose 0,4 Osm 4,92 9,84 Podemos observar que a soluo hiperosmolar ganha e a hiposmolar perde solvente. A explicao simples: sabemos que quanto maior a quantidade de soluto em uma soluo , mais baixa a energia cintica mdia das molculas do solvente e menor o nmero de choques eficazes na membrana. Sendo assim, a energia cintica mdia e o nmero de choques do solvente na soluo hiposmolar maior que na soluo hiperosmolar, o que resulta num fluxo efetivo do solvente da soluo hiposmolar para a soluo hiperosmolar. Isto no quer dizer que o transporte efetivo do solvente por osmose foge s leis da difuso. Na verdade o solvente est se deslocando de uma soluo mais concentrada para outra menos concentrada, se considerarmos a sua concentrao e no a do soluto. importante relembrar e salientar que, na anlise que fizemos at agora, estabelecemos sempre a condio de que a membrana fosse SEMI-PERMEVEL a ambas as solues. As concluses obtidas, s podem ser aplicadas quando essas condies so respeitadas. Se, no esquema que utilizamos anteriormente (incio desta pgina) a membrana fosse semipermevel soluo de NaCl mas permevel soluo de glicose, o equilbrio seria totalmente diferente. Apesar da soluo de glicose ter um potencial osmtico maior que o da soluo de NaCl, o mesmo no pode ser evidenciado porque a membrana no se distribue homgeneamente, ou seja, com a mesma concentrao nos dois compartimentos e no exerce nenhum efeito osmtico permanente (Dependendo da membrana pode-se observar s vezes um efeito osmtico temporrio que aparece antes que o equilbrio final seja alcanado). No final, porm, tudo ocorre como se tivssemos colocado a soluo de NaCl no compartimento A e o solvente puro no compartimento B:

o x x x x o (Incio) NaCl 0,2 Osm o o o o o x x (Equilbrio) o o x o o o x

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Compare com o esquema da pgina anterior, inclusive quanto ao gradiente de presso hidrosttica que existe no equilbrio. O asterisco junto ao smbolo M significa que se trata de outra membrana. Os seres vivos no possuem nenhuma membrana que seja estritamente SEMIPERMEVEL a todos os lquidos biolgicos. A membrana capilar por exemplo, semi-permevel a solues de macromolculas mas totalmente permevel a solues de pequenas molculas (NaCl, sacarose, uria, etc.). A membrana celular, em geral, semi-permevel a solues de NaCl, CaCl, sacarose, insulina, manitol, mas permevel a solues de uria. No se pode, portanto, prever o comportamento osmtico de uma soluo nos seres vivos baseando-se apenas no conhecimento da sua osmolaridade, da sua presso osmtica ou do seu potencial osmtico. Vimos que as concluses obtidas, quando a membrana semi-permevel a todas solues envolvidas. Passamos ento a trabalhar com outra propriedade das solues ou dos compartimentos que denominamos TONICIDADE. Podemos conceituar a TONICIDADE de uma soluo (ou compartimento) como sendo a sua capacidade de retirar ou absorver solvente de outra soluo qualquer, da qual est separada por uma membrana qualquer. Se as duas solues tm a mesma capacidade, ou seja, a mesma tonicidade, os fluxos de solvente nos dois sentidos sero iguais e nenhuma das duas aumenta de volume s custas da outra. Dizemos que as solues so ISOTNICAS. Se as solues tm tonicidades diferentes, o fluxo de solvente ser maior no sentido da soluo de menor tonicidade para a soluo de maior tonicidade. Esta ltima, portanto, tende a aumentar de volume e classificada como HIPOTNICA. Comparando os conceitos de POTENCIAL OSMTICO e de TONICIDADE podemos deduzir que o primeiro um caso particular do segundo. Vimos que: - o potencial osmtico a capacidade de ganhar solvente quando a soluo est separada do solvente puro por uma membrana semi-permevel. - a tonicidade a capacidade de ganhar solvente quando a soluo est separada de outra soluo qualquer, ou do solvente, por uma membrana qualquer. Significa que o potencial osmtico de uma soluo corresponde sua tonicidade mxima e que solues totalmente permamentes tem tonicidade nula. Da comparao entre as definies de potencial osmtico e tonicidade deduzimos tambm que solues ISOSMOLARES (tambm chamadas isosmticas) nem sempre so ISOTNICAS. Isto ocorre porque a Osmolaridade depende apenas da concentrao do soluto enquanto que Tonicidade depende tambm da permeabilidade de membrana que separa as solues. Pode inclusive acontecer que uma soluo HIPEROSMOLAR seja HIPOTNICA em relao a outra. Examinemos as seguintes situaes, utilizando o sistema de dois compartimentos A e B, separados por uma membrana M. I - Colocando-se no compartimento A soluo 0,3 Osm de NaCl e no compartimento B soluo 0,3 Osm de glicose, sendo a membrana semi-permevel a ambas as solues. A B A B x x x x x x o M o o x x o o o x x o x x M o o o o o

(Incio) (Equilbrio) NaCl 0,3 Osm Glicose 0,3 Osm Como as duas solues tm a mesma osmolaridade (0,3) so ISOSMOLARES e tm portanto o mesmo potencial osmtico. Sendo a membrana semi-permevel s duas solues, suas tonicidades sero e, no caso, iguais. Os dois compartimentos sero portanto ISOSMOLARES e ISOTNICO. II - Colocando-se NaCl 0,3 Osm em A e glicose 0,4 Osm em B. A membrana a mesma do exemplo anterior. A B A B

o x x x x x x NaCl (0,3 Osm) o o o o o o x x o o x x x o o o o o o o o o

o

Glicose (0,4 Osm)

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Quanto osmolaridade, o compartimento B HIPEROSMOLAR em relao ao compartimento A (0,4 maior que 0,3). Sendo a membrana semi-permevel s duas solues, suas tonicidades sero mximas porm, a tonicidade em B ganha solvente e HIPERTNICO em relao ao compartimento A. De modo anlogo, o compartimento A HIPOSMOLAR e HIPOTNICO em relao ao compartimento B. Com respeito s situaes I e II podemos concluir que, tratando-se de membranas semipermeveis, h sempre correspondncia entre a OSMOLARIDADE e a TONICIDADE. III - Colocando-se NaCl 0,3 Osm em A e glicose 0,3 Osm em B, sendo a membrana agora, permevel a ambas as solues. A B A B

x x x x x (Incio) o M o o

o o x o o x x (Equilbrio) x x o M o o

o o

o

Quanto osmolaridade as solues so ISOSMOLARES. Como a membrana permevel, suas tonicidades so nulas e portanto iguais. Assim, as solues so ISOSMOLARES e ISOTNICAS mas, no equilbrio, teremos os dois solutos homogeneamente distribudos nos dois compartimentos. Comparando com a situao I , seria tentador pensar que solues isosmolares so sempre isotnicas, que a membrana seja permevel ou semi-permevel a ambas as solues. Na verdade, isto verdade. O que no verdade que a osmolaridade sempre corresponde tonicidade, que a membrana seja permevel ou semi-permevel. Vejamos a situao seguinte. IV - Colocando-se NaCl 0,5 Osm em A e glicose 0,2 Osm em B. A membrana a mesma da situao anterior.

A

B

A

B

x x x x x (Incio) NaCl 0,3 Osm o M

o o o o o

x x x x x x

M o o

o o o o o

(Equilbrio) Glicose 0,4 Osm

Quanto osmolaridade, A HIPEROSMOLAR em relao a B. Porm, como a membrana permevel s duas solues, suas tonicidades sero nulas e iguais. Logo, A ISOTNICO em relao a B. De modo anlogo, B HIPOSMOLAR mas ISOTNICO em relao a A. Analisando as situaes III e IV, conclumos que solues separadas por membranas permeveis, so sempre ISOTNICAS, no importa quais sejam suas OSMOLARIDADES.

V - Colocando-se em A soluo 0,3 Osm de NaCl e em B soluo 0,3 Osm de uria sendo a membrana impermevel ao NaCl mas permevel a uria. A B A o x x x x x x o o o o x o x o (Equilbrio) M o o x o o x x M o x B

(Incio) NaCl 0,3 Osm

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Quanto osmolaridade, A ISOSMOLAR em relao a B. Porm, como a membrana permevel soluo de uria, esta no exerce nenhuma tonicidade. Logo, o compartimento A ganha solvente sendo portanto HIPERTNICO em relao a B. O compartimento B, por sua vez, ISOSMOLAR mas HIPOTNICO em relao ao compartimento B. Se tivssemos utilizado NaCl 0,1 Osm em A e uria 10,0 Osm em B, a soluo de uria continuaria sendo HIPOTNICA apesar de ser agora HIPEROSMOLAR (numa proporo de 100 para 1). VI - Colocando-se em A soluo de NaCl 0,3 Osm e em B uma soluo mista de glicose 0,3 Osm e uria 0,5 Osm. A membrana impermevel ao Nacl e glicose mas permevel a uria. A B A B

x x x x x x

o o o o o

x x x x x o o o

o o o

(Incio) NaCl 0,3 Osm

(Equilbrio) Glicose 0,3 Osm/ Uria 0,5 Osm

Quanto osmolaridade, A HIPOSMOLAR em relao a B. O potencial osmtico no compartimento B maior que no compartimento A mas a tonicidade de B mantida apenas pelo potencial osmtico da glicose, j que a tonicidade da uria nula. Como o potencial osmtico, isto , a tonicidade do NaCl igual a da glicose, as solues so ISOTNICAS. Quer dizer, o compartimento a HIPOSMOLAR mas ISOTNICO em relao a A. Observe-sa que, retirando a uria do compartimento B, teramos um equilbrio idntico ao que ocorreu na situao I. Da anlise das situaes V e VI, podemos tirar uma concluso final que vlida para todas as situaes: A TONICIDADE de um compartimento isolado por uma determinada membrana correspondente ao potencial osmtico das partculas NO DIFUSVEIS atravs dessa membrana. S se pode aumentar a tonicidade (ou o volume) de um compartimento isolado por uma determinada membrana acrescentando, a esse compartimento, soluto no difusvel atravs dessa membrana. VII - EQUILBRIO DE GIBBS-DONNAN Como uma grande parte das protenas dos organismos vivos esto sob a forma de disperso coloidal, em soluo inica e separadas por membranas semi-permeveis, necessrio que se estude um tipo especial de distribuio de ons que profundamente influenciada pela presena de partculas no difusveis carregadas eletricamente.

A ProtNa+ ProtNa+ Prot-

M Na+ ClProt-Na+ Na+ Cl-

B Na+ ClNa+ ProtNa+ ProtNa+ ProtNa+

A

M

B

Prot- Na+ ClNa+ Cl- Na+

Na+ Prot- Na+ Clprot- Na+ Cl- Na+ Na+ Prot- Na+ ClProt- Na+ Cl- Na+ Na+ Prot- Na+ ClProt- Na+Cl- Na+ Na+ Prot-Na+ Cl-

Na+ ProtNa+ ProtNa+

Na+ ClNa+ ClProtNa+ ClNa+ Na+ ClprotNa+ ClNa+ Na+ ClProtProt- Na+ Cl- Na+ Na+ ProtNa+ ClNa+ Na+ ClProtNa+ ClNa+ Na+ ClProtNa+ Cl-

(Incio) Prot : 12 + Na : 12

Cl : 12 + Na : 12

Prot : 12 Na+ : 14 Cl : 5

(Incio) Cl : 7 + Na : 10

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Consideremos o sistema acima constitudo por dois compartimentos separados por uma membrana M. No compartimento A foi colocado um litro de soluo 0,12 M de ons Na+ equilibrados por nions proteinato (Prot-). Ao compartimento B, adicionamos o mesmo volume de soluo 0,12 M de NaCl. A membrana impermevel apenas ao nions proticos. Apesar de estar submetido a um gradiente de concentrao, o on proteinato (Prot-), por ser uma macromolcula, no pode atravessar os poros da membrana. Por isso no difunde de A para B. O on Na+ atravessa livremente a membrana mas seu fluxo efetivo inicial nulo: a quantidade que passa de A para B igual que passa de B para A porque sua concetrao a mesma nos dois lados da membrana. O on cloreto (Cl-) porm, tm todas as condies para apresentar um fluxo efetivo diferente de zero pois : 1 - Est submetido a um gradiente de concentrao e 2 - a membrana lhe permevel. O cloreto se difunde ento de B para A devido a um gradiente de concentrao. Como o on cloreto se difunde inicialmente sem seu ction correspondente (Na+), esta difuso realiza um trabalho eltrico que se manifesta sob a forma de energia potencial eltrica (Voltagem). Se estabelece assim um campo eltrico (negativo em A, positivo em B) qued tende a dificultar a passagem de ons cloreto do lado B para o lado A e, ao mesmo tempo, promove um fluxo efetivo de ons sdio tambm de B para A. importante lembrar que o fluxo efetivo de Na+ se deve a um gradiente eltrico criado pela difuso do cloreto a qual decorreu de um gradiente de concentrao. Ocorre com o sdio o inverso do que ocorreu com o cloreto: a difuso por gradiente eltrico gerou um gradiente de concentrao. O processo continua at que os dois ons atinjam um equilbrio eletroqumico, mesmo que os dois compartimentos no atinjam tambm um equilbrio osmtico. Dizemos que o on cloreto (Cl-), ao se difundir de B para A, realiza um trabalho til porque a energia potencial de concentrao (qumica) est se transformando em energia potencial eltrica. A energia potencial de concentrao pode ser calculada por uma equao derivada da expanso isotrmica dos gases perfeitos, aplicada para cada on: Ec = R . T ln (Cl -) b Energia potencial de concetrao (Cl -) para o on cloreto. Ec = R . T ln (Na+) b Energia potencial de concentrao (Na+) a para o on sdio. O equilbrio de Donnan alcanado quando o campo eltrico estabelecido atravs da membrana pela difuso do on cloreto promove um aumento do on sdio no lado B, de tal modo que a diferena de energia potencial de concentrao para o Na+ anula totalmente a diferena de energia potencial de concentrao para o Cl . Ento: R . T ln (Cl- )b + R . T ln (Na+ ) b = 0 (zero) (Cl- )a (Na+ ) a Donde se conclue que: (Na+ ) b = (Cl- ) b = r (Relao de Gibbs-Donnan) (Na+ ) a (Cl- ) a ou (Na+ )a . (Cl- ) a = (Na+ ) b . (Cl-) b Uma vez atingido o equilbrio de Donnan, podemos afirmar que: a - A concentrao do ction difusvel (Na+) sempre maior no lado que contm o nion no-difusvel (Prot-). b - A concentrao do on Cl- continua maior no lado B, porm passa a existir cloreto tambm do lado A do sistema. c - Se formos calcular as tonicidades de cada soluo, notaremos que o compartimento que contm o on NO difusvel sempre hipertnico. d - Como consequncia, o equilbrio de Donnan gera um desequilbrio osmtico, isto , o equilbrio de Donnan eletro-qumico e no osmtico. e - Para impedir que o compartimento que contm o on NO difusvel retire solvente do outro compartimento, se poderia aplicar uma presso mecnica ou hidrosttica de sentido inverso. o que acontece, por exemplo, ao nvel dos capilares sanguneos. VIII - ESQUEMA DE STARLING. IMPORTNCIA DA PRESSO ONCTICA. Os capilares constituem os vasos sanguneos de paredes mais delgadas e de calibre mais fino. O sangue chega at eles pelas artrias, as quais em ramificaes sucessivas e sem transio real vo diminuindo seu calibre e simplificando sua estrutura at se converterem em capilares. Estes vasos, por sua vez, se renem novamente sem transio real e do origem s veias. Os capilares, portanto, podem ser divididos esquematicamente em uma poro arterial e uma poro venosa. Nos capilares, os nutrientes trazidos pelo sangue e destinados s clulas atravesam as suas paredes para se misturar com o lquido intersticial e da passar para o interior das clulas. As substncias eliminadas das clulas fariam um percurso inverso. A passagem de lquidos e substncias atravs dos capilares feita por processos de filtrao, difuso e osmose. A filtrao a passagem de lquidos atravs dos poros dos capilares. E depende, fundamentalmente, de duas presses: a presso hidrosttica (PH), devido compresso mecnica que o corao exerce sobre o sangue, e a presso onctica (PO) devido presena de macromolculas, partculas no difusveis, no plasma.

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A presso hidrosttica (PH) exercida no sentido de expulsar lquido do espao intravascular para o espao intersticial. A presso onctica (PO) tende a trazer lquido do espao intersticial para o intravascular. Na poro arterial do capilar a PH maior que a PO e, ento, o lquido sai dos capilares para o espao intersticial por filtrao. Na poro venosa do capilar a PO maior que a PH e, ento, o lquido volta para o interior do capilar por osmose. Como a diferena de presso na poro arterial do capilar maior do que na poro venosa, a quantidade de lquido que sai dos capilares na poro arterial maior do que a quantidade que entra na poro venosa. Pra retirar o restante do lquido do espao intersticial se faz necessrio a presena de um sistema de drenagem auxiliar do sistema venoso, o sistema linftico. Esquema de Starling capilar Poro Arterial PH PEf | | | | PO | | | 25 | Poro Venosa PH PO PEf

40

15

25

10

15 Vasos Linfticos

(Presso em mmHg)

(PEF= Presso Efetiva de Filtrao)

OBS: A concentrao de macromolculas constante ao longo de todo o leito capilar. A diferena consiste na resultante entre TONICIDADE (PO) e PRESSO HIDROSTTICA. O esquema de Starling serve para explicar o equilbrio do volume lquido do leito vascular, e, pode ser associado ao equilbrio de Gibbs-Donnan, visto anteriormente, considerando-se o LIV como meio que contm a partcula no-difusvel e que a membrana endotelial capilar carregada negativamente na superfcie em contato com o LIV, o que explica as diferenas entre as concentraes de Na+ no LIV e no LIT. Uma outra teoria utilizada para explicar o intercmbio de lquidos entre o LIV e o LIT a da vasomotricidade, que envolve tambm o jogo de influncia entre a presso hidrostrtica (filtrao) e a presso osmtica (osmose).

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Difuso, potencial de equilbrio E potencial de membranaI- INTRODUO Todas as partculas em soluo aquosa possuem um movimento errtico, aleatrio, que promove colises moleculares num contnuo intercmbio de energia cintica entre as partculas do sistema. Tal como as molculas de um gs, as partculas de um soluto qualquer ao se dissolverem em determinado lquido, adquirem liberdade de movimento e com isso passam a colidir muitas vezes umas com as outras. Estas colises intermoleculares constituem o mecanismo pelo qual a velocidade das partculas do soluto muda continuamente. exatamente essa semelhana com o comportamento dos gases que permite a aplicao da equao dos gases perfeitos no clculos da presso osmtica e na deduo da equao de Nernst, como veremos adiante . Como resultado desses choques intermoleculares contnuos, existe uma distribuio de velocidade entre as partculas dissolvidas , para cada instante. De modo que, a cada instante, a maioria das molculas assume valores de velocidade que esto muito prximos de uma mdia de velocidade que, por sua vez, est diretamente relacionado com a temperatura do sistema. Consequentemente, ao elevar-se a temperatura de um corpo h um aumento na energia cintica translacional mdia de suas molculas ou partculas, e que equivale a acelerar a difuso para o caso de solues lquidas ou gasosas. A difuso um processo de intercmbio contnuo das molculas de um gs ou de uma soluo. portanto, uma consequncia do intercmbio de energia cintica translacional entre as molculas de um sistema. A difuso pode ocorrer em um meio homogneo ou atravs de um obstculo (uma membrana, por exemplo). II- FATORES QUE PROMOVEM A DIFUSO Considere-se um recipiente constitudo por dois compartimentos I e II separados por uma membrana M, nos quais se colocou gua. Adicionando-se dois solutos A(*) e B(+), sendo a membrana permevel apenas ao soluto B, observamos o seguinte: I * + * + * + * + * + * + M II I * * * + * * + + + M * + II +

Incio

Aps a difuso

- haver uma passagem efetiva de molculas B do lado I para o lado II, at que seja atingido o equilbrio. - o equilbrio ser atingido quando as concentraes dos lados I eII forem iguais para a substncia difusvel. - mesmo quando as concentraes dos lados I e II forem iguais, continuar havendo difuso de I para II mas, como est havendo difuso igual em sentido contrrio, o fluxo efetivo ser zero. - aumentando-se a temperatura do sistema, o fluxo efetivo continuar sendo nulo (zero) mas, a difuso estar aumentada em ambos os sentidos. - o soluto A, como no pode atravessar os poros da membrana, no se difunde para o lado II. Concluindo: Os fatores que regem a difuso de soluto, no carregados eletricamente, atravs de uma membrana so: temperatura, concentrao e permeabilidade. III- DIFERENA DE POTENCIAL QUMICO (DIFERENA DE POTENCIAL DE CONCENTRAO) Tomando-se uma substncia A, no ionizada, contida em apenas um de dois compartimentos, separados por uma membrana permevel, como o esquema abaixo: I . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . Sistema M II P1 P2

I II . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Analogia com os gases perfeitos

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Com relao ao sistema, podemos afirmar o seguinte: - Como existe um gradiente de concentrao entre um lado e outro da membrana, h uma diferena de potencial qumico, acumulada no lado I em relao ao lado II. Essa diferena de concetrao, sendo a membrana permevel, somente se manter se houver, de alguma forma um gasto de energia do ambiente ou da membrana, capaz de neutralizar o fluxo efetivo de partculas do lado I para o lado II. - O fluxo efetivo de molculas de I para II, dissipar toda a energia potencial, inicialmente acumulada sob a forma de gradiente de concentrao e, portanto, pode ser convertida em trabalho. - Como podemos ento calcular essa energia potencial de concentrao do sistema? Para isso precisamos fazer uma analogia do sistema como o comportamento dos gases perfeitos. Associemos ento os compartimentos I e II com cilindros vedados por mbolos que deslizam sem atrito, conforme a fora exercida sobre eles. Consideremos ainda que ambos os cilindros permaneam a temperatura constante e que exista uma quantidade de gs perfeito apenas no cilindro I. Qual a semelhjana existente entre os cilindros com gs perfeito e os compartimentos com a soluo? - O compartimento I, como mais concentrado, assemelha-se ao cilindro I que est sob maior presso. - A mesma analogia pode ser feita ao relacionar-se o compartimento II como o cilindro II, que inicialmente esto ambos vazios. Se fssemos, por um mecanismo qualquer, diminuindo gradativamente a presso P1 do cilindro I, at que a mesma ficasse igual a P2, notaramos que seria realizado um trabalho de difuso isotrmica pelo gs, que poderia ser comparado ao trabalho de difuso isotrmica do soluto do compartimento I para o compartimento II, de modo que a sua concetrao diminuiria gradativamante e se torne igual a C2. P1 P2 C1 (-) C2 C2

. . ........ ........ I V1 . . .

. V2

M

M

II I II Tal como o gs que se expandiu isotermicamente de P1 para P2, ao diminuirmos o peso (fora) sobre o mbolo, e realizou um trabalho, as partculas de uma soluo, ao se difundirem de uma concentrao C1 para C2, podero realizar um trabalho til se convenientemente acopladas a determinados sistemas fsico-qumicos. Por exemplo, se cada partcula que difundisse carregasse uma carga eltrica, seria realizado um trabalho eltrico. O trabalho de expanso isotrmica de um gs pode ser calculado pela equao: W = R . T. ln P1 P2 ou W = R . T . ln V2 V1 se W = & ^ Ep V1 V2 Volume (Presso)

P1 .............

(P1,V2) (P2, V2)

P2 .............................

Essa equao nos permite calcular o trabalho (W) realizado por um gs em expanso isotrmica e corresponde, portanto, diferena de energia a potencial (^- E), entre duas presses (P1 e P2), que pode ser convertida em trabalho. Como, ento, poderemos adaptar essa equao para o clculo da diferena de potencial qumico existente entre duas concentraes (C1 e C2) de um determinado soluto em soluo aquosa? A frmula geral para o clculo da concentrao (C) de uma soluo : C = Qs V donde Qs = C . V

Quando um gs se expande, ou um determinado soluto se difunde, a quantidade total de partculas do sistema, ou seja, Qs, continua a mesma, apenas o volume (V) ocupado que aumenta. Portanto, durante a expanso do soluto: Qs1 (Inicial) = Qs2 (final) ou C1 . V1 = C2 . V2

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donde C1 = C2 V2 V1

Substituindo-se os valores de V pelos valores de C na equao para gases, obteremos a equao que nos permite calcular a diferena de potencial qumico ou de concentrao (^- Eq) que existe entre diferentes concentraes de uma determinada substncia em soluo ( em dois compartimentos separados por uma membrana, por exemplo), ou tambm, a quantidade de energia que dever ser gasta para estabelecermos uma diferena de concentrao no sistema por um processo ativo: ^ Ec = R . T . ln C1 C2

IV - ENERGIA POTENCIAL ELTRICA (GRADIENTE ELTRICO) A frmula citada anteriormente adequada quando a substncia molecular, porm quando se trata de subtncia ionizada, devemos levar em considerao no somente a diferena de potencial qumico existente entre os dois lados da membrana, como tambm o trabalho eltrico realizado por determinada substncia inica ao se difundir atravs da membrana. Qual o trabalho eltrico realizado quando um mol de determinado on covalente se difunde contra um determinado campo eltrico? Em outras palavras qual o trabalho realizado para o transporte de cargas positivas (1 mol) de uma distncia grande ( considere-se infinita) at o plo positivo? W = q .^ v O trabalho eltrico (We) o produto da diferena de potencial (^-V) pelo nmero de cargas eltricas elementares transportadoras (q). Por uma questo de coerncia de unidades, se a diferena de potencial eltrico expressa em volt, a quantidade de cargas (q) carregadas por 1 mol de on qualquer de valncia z, passa ser calculada pela equao: q = z . F O trabalho eltrico ficar ento expresso em joule e corresponde energia potencial eltrica (^- Ee) adquirido pelo sistema. We = z . f . ^ v = ^ Ee Mas, qual a utilidade em sabermos que o trabalho eltrico ou a energia potencial eltrica acumulada por transporte de um determinado on pode ser calculada pela expresso matemtica abaixo? ^ Ee = z . F . ^ v IV . 1 - Trabalho Eltrico nos Sistemas Biolgicos Ocorre que nos sistemas biolgicos as clulas e respectivos compartimentos intersticiais efetuam um intercmbio de lquidos e eletrlitos que afetado no somente pelo gradiente de concentrao e pela permeabilidade da membrana como tambm, pela diferena de potencial eltrico transmembrana. Imaginemos, como exemplo, um sistema constitudo por dois compartimentos separados por uma membrana impermevel apenas a macromolculas. Coloquemos no compartimento I uma determinada substncia que, em soluo, se dissocia em um on protico (proteinato, Prot-) com carga negativa e no on potssio ( K+) para equilibr-lo eletricamente. (Veja esquema abaixo). I M II I M - + - + - + - + - + - + - + II

Prot- K+ K+ ProtProt- K+ K+ ProtProt- K+

Prot- K+ ProtK+ ProtProtProt- K+

K+ K+

(Inicio)

(Equilbrio)

Sendo a membrana permevel apenas ao on potssio, este se difundir do lado I para o lado II. Porm, como se trata de uma carga eltrica, evidente que toda difuso implica em um trabalho eltrico, que acumulada sob a forma de energia potencial eltrica (voltagem ou diferena de potencial eltrico) entre as duas faces da membrana, uma vez que o on se difunde separando-se do nion que lhe dava neutralidade eltrica.

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Portanto, em virtude do on potssio (K+) atravessar a membrana sozinho h o aparecimento de uma diferena de potencial eltrico (^ v) entre as superfcies I e II da membrana. Ou seja, a membrana fica polarizada. + Devemos levar em considerao que inicialmente o K tende a estabelecer um fluxo efetivo de cada ction do lado I para o lado II, em virtude da existncia de um gradiente de concentrao (potencial qumico ou energia de concentrao). A voltagem ou campo eltrico que se estabelece na membrana , no entanto tende a provocar + um fluxo de K em sentido contrrio (de II para I) que vai terminar contrabalanando o fluxo inico por potencial qumico. Quando a diferena de energia potencial de concentrao (^ Ec) for igual e contrria diferena de energia potencial eltrica (^ Ee), digamos ento que a voltagem transmembrana igual ao + potencial de equilbrio (P . Eq), para o on em questo (no caso, o K ). Nestas condies, a diferena de energia potencial total entre os lados I e II igual a zero e, apesar da difuso continuar em ambos os sentidos, o fluxo efetivo de ons atravs da membrana nulo. Isto , uma vez que a voltagem atinja o potencial de equilbrio para uma determinada diferena de concentrao, a ENERGIA LIVRE ( diferena de potencial eletroqumico, ^ u) igual a zero. A diferena de potencial eletroqumico (^ u) pode ser calculada pela soma algbrica da energia potencial eltrica com a energia potencial de concentrao para determinado on: ^ u = ^ Ee + ^ Ec ou seja ^ u = z . f . ^ v + R .T . ln C1 C2 Dissemos que, quando o sistema atinge o equilbrio, a diferena de potencial eletroqumico (^ u ) nula (igual a zero) . Logo: C1 z . F . ^ v + R . T . ln ----------- = 0 C2 Donde: C1 z . F . ^ v = -R . T . ln -------C2 C2 z . F . ^ v = R . T . ln -------C1 R.T C2 ^ v = -------- ln ------z.F C1 ^ v o gradiente eltrico, ou seja, a diferena de potencial eltrico que deve existir, entre as duas faces da membrana, para contrabalanar ou equilibrar um gradiente de concentrao. Por esse motivo, ^ v passa a ser chamado Potencial de Equilbrio (PEq). Assim: R.T C2 P . Eq = ---------- ln --------- (Equao de Nerst) z.F C1 IV.2-Potencial de Equilbrio Voltemos a analisar o esquema mostrado na pgina 06 . Designaremos como EFLUXO (Ef) a passagem de ons K+ de I para II, como INFLUXO (If) passagem de ons K+ de II para I e como FLUXO EFETIVO (Fe) a diferena entre o EFLUXO e INFLUXO. No incio (tempo zero) , a membrana est despolarizada, o efluxo mximo (100), o influxo nulo (0) e o fluxo efetivo (Fe) igual ao efluxo. No momento subsequente o tempo zero, no entanto, a membrana j est ligeiramente polarizada, ou seja, comea a aparecer uma diferena de potencial eltrico (d.d.p) devido difuso das cargas positivas de I para II. Ao mesmo tempo, comea a existir um fluxo de II para I, ou seja, um influxo. O Fluxo efetivo, porm, ainda grande e continua a passar cargas positivas de I para II, tornando a membrana cada vez mais polarizada. Registrando-se com um voltmetro de boa sensibilidade, a d.d.p (voltagem) entre os dois lados dsa membrana em funo do tempo, teramos um resultado como na figura 01 (abaixo): Fig.01 d.d.p (mV) Pot. Equilbrio

Px 0 0 tx t Tempo

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Fig.02 100 FLUXO Ef Fe If 0 0 0 Px P.Eq t d.d.p (mV) tempo

Relacionando-se a polarizao da membrana ((d.d.p) com os fluxos (Efluxo, Influxo, e Fluxo Efetivo), obteramos um resultado como mostrado na figura 02. Partindo-se do princpio elementar de eletrosttica de que cargas iguais se repelem, torna-se fcil compreender que quando a diferena de potencial cai aumentando ( o lado II cada vez mais positivo), o EFLUXO vai diminuindo e o INFLUXO vai aumentando. Depois de um tempo t, o efluxo se torna igual ao influxo e o FLUXO EFETIVO de ons torna-se nulo. Neste momento, a d.d.p torna-se constante (Fig. 01) + porque a quantidade de cargas (K ) que migram de I para II por gradiente de concentrao (potencial qumico) igual ao nmero de cargas positivas que retornam de II para I por gradiente eltrico (potencial eltrico). A d.d.p transmembrana cresce a partir do zero at atingir o Potencial de Equilbrio, que a diferena de potencial eltrico ou o campo eltrico que se deve estabelecer atravs de uma membrana, na existncia de um gradiente de concentrao, para que o fluxo efetivo de determinado on seja igual a zero. No potencial Px mostrado nas figuaras 01 e 02, por exemplo, a polarizao (d.d.p) da membrana ainda insuficiente para fazer com que o Influxo (If) seja igual ao Efluxo (Ef). Logo, nesse potencial, o Fluxo Efetivo (Fe) de cargas positivas (K+) ainda diferente de zero e a membrana continua a ser polarizada at atingir o Potencial de Equilbrio. Devemos lembrar ainda que, ao concluirmos que o fluxo efetivo de determinado on atravs da membrana, e sim, que a difuso deste on igual nos dois sentidos (difuso por gradiente de concentrao = difuso por gradiente eltrico). Iniciando-se a experincia j com uma determinada concentrao de on potssio no lado II, a membrana tambm ficaria polarizada; bastaria que a concentrao em II fosse menor que em I. A figura 02, entretanto, tomaria outro aspecto, porque, mesmo com uma d.d.p igual a zero (no incio) o Influxo seria diferente de zero. Alm disso, o Potencial de Equilbrio seria menor, porque sendo o gradiente de concentrao menor, bastaria uma menor polarizao para tornar o Fluxo Efetivo igual a zero. Compare as figuras 03 e 04 com as figuaras 01 e 02. Fig. 03 d.d.p (mV) fig. 01 Pot. Equilbrio

0 t tt Tempo + Aumentando-se gradativamente a concentrao do K no lado II com relao a uma determinada concentrao fixa no lado I, notaremos que o Influxo inicial (quando o Potencial transmembrana igual a zero) torna-se cada vez maior e o Fluxo Efetivo cada vez menor. Isto equivale a dizer que, quanto menor for o gradiente de concentrao qumica (potencial qumico), menor ser a diferena de Potencial transmemrana( potencial eltrico) necessria para que o fluxo efetivo seja nulo. Na figura 04 vemos que quanto maior a concentrao inicial no lado II, isto , quanto menor o gradiente de concentrao menor o potencial eltrico necessrio para atingir o equilbrio (P. Eq). FLUXO 100 C3* C2* If1 C1* 0 Fig.04 Ef If3 If2 0

24

P.Eq3

P.Eq2

P.Eq1

d.d.p(mV)

C* = Concentrao no lado II em relao a uma concentrao fixa no lado I (C3 > C2 > C1 ). Quando as concentraes iniciais (nos lados I e II ) forem iguais, o gradiente de concentrao ser nulo e o Fluxo Efetivo tambem o ser. Desse modo, nenhuma carga eltrica passar de I para II e nenhum gradiente eltrico ser necessrio para fazer com que a difuso do on de I para II seja igual difuso de II para I . Em resumo - O Potencial de Equilbrio Transmembrana a diferena de potencial eltrico que se deve estabelecer atravs de uma membrana, para que o fluxo efetivo de um determinado on seja igual a zero, apesar da existncia de um gradiente de concentrao. O Potencial de Equilbrio para um determinado on, em soluo aquosa contido em dois compartimentos separados por uma membrana de permeabilidade seletiva, pode ser calculada aplicando-se a Equao de Nerst, que uma expresso matemtica deduzido de princpios fisico-qumicos da 0 conservao da energia (1 Lei da Termodinmica e trabalho de expanso isotrmica de um gs). Equao de Nerst: RT C2 P . Eq = ---------- ln ----------zF C1

( C1 > C2 )

Tratando-se de on negativo (monovalentes) multiplica-se o resultado por -1 ou inverte-se a razo entre as concentraes. O Potencial de Equilbrio obtido indica sempre a d.d.p existente no lado interno com relao ao lado externo. Obtendo-se um resultado de -75mV entre as faces interna e externa da membrana, sendo a face interna negativa. importante lembrar ainda que o equilbrio eletroqumico um fenmeno puramente PASSIVO. Se, para um determinado on , o gradiente de concentrao no est equilibrado matematicamente (pela equao de Nerst) com a polarizao existente na membrana, sinal de que esse on deve estar submetido a um processo ATIVO e/ou deve ser muito pouco permeante. Nas clulas musculares dos mamferos, por exemplo, o potencial eltrico existente atravs da membrana celular (potencial de repouso) corresponde ao Potencial de Equilbrio do on Cl mas um + + pouco menor que o Potencial de Equilbrio do K e muito diferente do Potencial de Equilbrio para o on Na + + + + e realiza um transporte ativo de Na e K (bomba de NA e K ). O on Cl se equilbra passivamente. V-POTENCIAL DE REPOUSO OU POTENCIAL DE MEMBRANA CELULAR As clulas animais contm protenas, ons fosfatos e bicarbonatos equilibrados eletricamente pelos ons potssio, e, em menor escala pelo sdio. Ao passo que o meio extracelular contm, principalmente, NaCl e em menor concentrao o potssio e o bicarbonato. Na representao abaixo, vemos os meios intra e extracelular com seus respectivos ons. As dimenses dos smbolos correspondem s suas concentraes relativas. Os sinais (+) e (-) representam a polarizao eltrica existente entre as faces da membrana.

+ + + - + - Prot+ + - HPO4+ - + +

+ + + + Na+ - + + K + cL - + + + + +

A tabela abaixo mostra a composio mdia dos meios intra e extracelulares de uma fibra muscular de mamfero. A tabela apresenta tambm os potenciais de equilbrio eletroqumico para os ons Na+, K+ e Cl-, calculados conforme a Equao de Nerst, e o Potencial de Membrana ou Potencial de Repouso (PR) existente na clula._____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

on

*Ce

*Ci 12

P.Eq(mV) +65 -95 -90 ///

_____________________________________________________________________

Na+

145 154 120 0

_____________________________________________________________________

9K+

155 3,8

_____________________________________________________________________

Cl-

_____________________________________________________________________

Potencial

-90

* (mEq/l) Eq. de Nerst : P. Eq (mV) = 60 . log Ce

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Ci Pode-se observar que o Potencial de Repouso (PR) que realmente existe na membrana da clula bastante diferente do Potencial de Equilbrio requerido para o on sdio, um pouco menor que Potencial de Equilbrio para o on potssio e exatamente igual ao Potencial de Equilbrio para o on cloro. Significa que apenas que o Cl- est em equilbrio eletroqumico, ou seja, o seu gradiente de concentrao est exatamente contrabalanceado pela polarizao da membrana. Isto leva suposio de que o equilbrio eletroqumico do cloro quem determina o potencial de repouso. Tal suposio pode ser verificada variando-se a concentrao extracelular do Cl- e medindo-se o potencial de membrana. Experimentalmente verificou-se que alteraes moderadas da concentrao do Cl- no modificam significativamente o potencial de repouso(PR). Descartado o papel do cloreto, o on mais provvel de desempenhar algum papel na gnese + do potencial de membrana seria o K , pois seu potencial de equilbrio est muito prximo do PR. Essa hiptese tambm pode ser verificada baseando-se na equao de Nerst: se o potencial de repouso determinado pelo equilbrio eletroqumico do potssio, variaes na sua concentrao extracelular deveriam provocar alteraes no potencial de repouso. De fato, experimentalmente, foi comprovado que um aumento + na concentrao extracelular do K diminue o potencial de repouso. + Para compreender como a distribuio eletroqumica do K poderia gerar um potencial de membrana, imaginemos uma membrana celular despolarizada, sendo subitamente colocada em contato com + os meios intra e extracelulares. conveniente relembrar que o K intracelular est equilibrado eletricamente = com nions NO DIFUSVEIS (Prot- e HPO4 ). Devido existncia de ons potssio tanto no LIC como no LEC, evidente que haver + difuso de K tanto do meio intra para o extracelular (EFLUXO), como do meio extra para o meio intracelular + (INFLUXO). Entratanto, como a concentrao de K no LIC maior que no LEC, teremos um EFLUXO + maior que o INFLUXO, isto , um FLUXO EFETIVO de K do meio intra para o extracelular. Como o potssio se difunde sem seu nion correspondente, evidente que a membrana comea a se tornar polarizada, pois cada K+ que se desloca do meio intra para o extracelular carrega uma carga positiva e deixa uma carga negativa.

(i) ProtK+

M +

(e) Protk+ If K+

(i) -

M + + + k+

(e) ProtK+ -

(i) + + + +

M

(e)

-

k+

(Incio)

(Equilbrio)

A medida em que a membrana vai se carregando eletricamente, o EFLUXO diminue, ao mesmo tempo em que se eleva o INFLUXO. A um certo ponto os dois se igualam e o FLUXO EFETIVO se torna igual a zero. Desse ponto em diante, a diferena de potencial eltrico entre as duas faces da membrana se torna constante. Esse potencial corresponde ao potencial de equilbrio do potssio para as concentraes intra e extracelular existente e pode ser calculado pela Equao de Nerst (no caso, vale 95mV). importante compreender e frisar que a quantidade de K+ necessria para criar esta diferena de potencial eltrico pequena (1/100000) em relao s quantidades totais de K+ nos meios intra e extracelulares, de modo que a equao de Nerst pode ser aplicada usando-se as concentraes iniciais e no as finais , aps o equilbrio. Relacionando-se, em um grfico, os fluxos de K+ com a polarizao gradativa de membrana (d.d.p), teramos o seguinte resultado: Fig.06 Fluxo Ef If P.Repouso P.Eq

0

-90

-95

d.d.p(mV)

Se o Potencial de Repouso da membrana celular fosse determinado apenas pelo Equilbrio Eletroqumico do K+, deveramos esperar que seu valor correspondesse ao Potencial de Equilbrio para o K+, determinado pela Equao de Nerst. Na verdade, o que se v que o Potencial de Repouso (-90mV) um pouco menor que o Potencial de Equilbrio do K+ (-95mV). Ness asituao, temos que admitir que o

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EFLUXO passivo est sendo maior que o INFLUXO (veja o grfico), de modo que a clula est continuamente perdendo potssio, isto , cargas positivas. Como o Potencial de Repouso se mantm constante deve existir um mecanismo ATIVO de entrada de K+ que equilibre continuamente o escape passivo. Tal mecanismo j foi identificado e denominado bombade K+. O on Na+ seria o menos provvel de gerar o Potencial de Repouso pois, para as concentraes existentes nos meios intra e extracelulares seu Potencial de Equilbr