Biofísica 2004/05


Notas de curso

Audição
Bioelectricidade
Célula
Contracção Muscular
Coração ECG
Membranas SNC
Proteínas
Respiração
Sentidos, linguagem e cognição
Visão


Exame tipo

Resumos (no dossier da cadeira estão fotocópias de todas as páginas aqui referidas):

 

1. A origem da vida celular/Estrutura da célula

Cell, pp. 1-25, Devlin, pp. 1-24

As primeiras moléculas orgânicas – Polipeptídeos e polinucleótidos – ARN e ADN – Auto-replicação e auto-catálise – Selecção natural – A primeira célula – A importância do aparecimento da membrana celular – Procariontes e eucariontes – O núcleo celular – A mitocôndria; conjecturas sobre a origem bacteriana das mitocôndrias – Organitos celulares e suas funções: membrana plasmática, núcleo e nucléolo, retículo endoplásmico, aparelho de Golgi, mitocôndrias, lisossomas, peroxissomas, citoesqueleto, citoplasma.

 

2. Moléculas de importância celular

Cell, pp. 41-47, pp. 54-59, pp. 98-111, Lodish, pp. 101-119

Composição química dos tecidos vivos; a importância do carbono – Açúcares: estrutura e função – Ácidos gordos: estrutura e função – Ácidos aminados: estrutura, ligação peptídica – Nucleótidos: estrutura, funções – Ácidos nucleicos: estrutura da molécula de ADN; função de armazenagem de informação genética; acção da polimerase de ADN e da polimerase de ARN; fluxo da informação genética; transcrição; ARN mensageiro; regiões não codificantes do ADN (intrões); excisão (“splicing”) no interior do núcleo; ARN de transmissão e ribossomático; tradução; associação do tARN ao mARN; o código genético; mecanismos de correcção da tradução e transcrição; o papel evolutivo das mutações.

 

3. Utilização de energia pela célula

Cell, pp. 60-74, Stryer, pp. 441-462, pp. 185-187, Cell2, pp. 414-421

Necessidade de energia ao nível celular: manutenção da ordem – Energia livre associada a uma reacção; relação entre energia livre e cinética da reacção –  Adenosina trifosfato (ATP): estrutura química; ciclo de utilização e produção – Acoplamento de reacção energeticamente favorável com reacção energeticamente desfavorável – Síntese de polímeros – Produção de ATP a partir de nutrientes – Glicólise anaeróbica – Ciclo de Krebs: produção de NADH – Produção de ATP por fosforilação oxidativa.

 

4. Proteínas

Cell, pp. 48-51, pp. 89-98, pp. 111-135, Stryer, pp. 17-41, pp. 181-184, pp. 188-195

Ligações não covalentes: ligações de hidrogénio, ligações iónicas, forças de Van der Waals – Ligações de hidrogénio entre ácidos aminados de proteínas – Ligações de bissulfureto – Distribuição dos ácidos aminados polares e não polares numa proteína – Estrutura das proteínas: hélice , folha ou prega  – Diferentes tipos de representação gráfica da estrutura de uma proteína – Estrutura secundária, terciária e quaternária – Estrutura regular de subunidades proteicas – Determinação da estrutura tridimensional das proteínas: difracção de raios X – Enzimas: importância da estrutura da enzima; papel das ligações não covalentes; exemplo: proteína activadora do gene catabolito; a catálise entendida como um abaixamento da energia de activação de uma reacção; energia livre de activação e cinética de uma reacção catalisada; exemplo: catálise da hidrólise de uma ligação peptídica.

 

5. Hemoglobina e mioglobina

Devlin, pp. 842-843, Stryer, pp. 147-178

Estrutura do grupo heme – Estrutura tridimensional da mioglobina – Importância dos resíduos de histidina: prevenção de oxidação, diminuição da afinidade pelo CO – Estrutura tridimensional da hemoglobina – Eritrócitos, leucócitos e plaquetas – Propriedades alostéricas da hemoglobina: ligação cooperativa do oxigénio, coeficiente de Hill, comparação entre mioglobina e hemoglobina em termos da eficiência de libertação de oxigénio; influência do pH na afinidade por O2, efeito de Bohr; regulação da afinidade por O2 pelo BPG (2,3-difosfoglicerato) – Fundamento bioquímico de uma propriedade alostérica (ligação cooperativa do oxigénio): estados T (“tenso”) e R (“relaxado”), papel da interface 12 , papel da histidina proximal – Fundamento bioquímico das outras propriedades alostéricas – A anemia das células falciformes: sintomas e incidência geográfica; causas: substituição de um ácido aminado na cadeia , criação de um novo sítio de ligação na molécula de hemoglobina, formação de um precipitado fibroso; resistência acrescida à malária por parte dos portadores sãos do gene da anemia; outras situações de hemoglobina anormal: talassemia.

 

6. Membranas - estrutura

Stryer, pp. 263-289

Funções das membranas – Fosfolípidos das membranas: fosfoglicéridos, esfingomielina, glicolípidos – Propriedades anfipáticas dos fosfolípidos: comportamento numa interface ar-água e num meio aquoso; micelas; bicamada lipídica – Impermeabilidade das membranas lipídicas: antibióticos de transporte; exemplo: valinomicina – Proteínas da membrana: proteínas integrais e periféricas – Difusão de lípidos e proteínas: difusão no plano da membrana e através da membrana; preservação da assimetria das membranas – O modelo do mosaico fluido de Singer e Nicolson –Glicoproteínas: importância dos resíduos de açúcar nos glicolípidos e glicoproteínas para a orientação da membrana; exemplos: glicoforina A e espectrina.

 

7. Membranas – aspectos funcionais

Cell, pp. 507-527, p. 49, Guyton, pp. 51-55, Malmivuo, pp. 44-62

Permeabilidade das membranas a diversas espécies químicas – Transporte através da membrana: passivo e activo; uniporte, sinporte, antiporte – A ATPase de Na+/K+: funcionamento; importância para o controlo do equilíbrio osmótico da célula – Transporte activo mediado por gradientes iónicos – Exemplo: transporte da glucose através do epitélio intestinal – Exemplo: bactérias de membrana dupla (E. coli) – Canais iónicos: sensíveis a voltagem, ligando e esforço mecânico – Potenciais eléctricos numa membrana – Paralelismo entre mobilidade iónica (devida a campo electrostático) e difusão iónica (devida a gradiente de concentração): gradiente electroquímico – Potencial de equilíbrio – Equação de Nernst – Generalização a várias espécies iónicas: derivação da equação de Goldman-Hodgkin-Katz – Modelo do cabo eléctrico para uma célula do sistema nervoso.

 

8. Sistema nervoso - propagação de sinais

Guyton, pp. 55-60, Cell, pp.527-532, pp. 536-537, pp. 541-543

O neurónio: corpo celular, axónio, dendrites, sinapses – O potencial de acção: perfil temporal; importância dos canais de Na+ e K+; propagação; período refractário; a importância da camada de mielina – A sinapse: sinapses químicas e eléctricas; neuro-transmissores e neuro-receptores; propagação dos neurotransmissores na fenda sináptica; geração de potenciais pós-sinápticos (PPSs); sinapses excitatórias e inibitórias; exemplo: neurorreceptor de acetilcolina; soma temporal e espacial dos PPSs – Codificação da intensidade do PPS resultante pela frequência de disparo do potencial de acção.

 

9. Sistema nervoso central: visão, cognição

Kandel, pp. 5-17, pp. 507-545, pp. 1169-1185

Organização functional do cérebro humano – Localização das regiões de interesse cognitivo – Técnicas de mapeamento funcional do cérebro – A visão: estrutura do olho humano; estrutura da retina; foto-receptores: bastonetes e cones; rodopsina: opsina e retinal; absorção de um fotão pelo retinal; transição do estado 11-cis para o estado “all-trans”; a corrente de escuridão; papel do GMP e da meta-rodopsina II; células da retina (receptoras, bipolares, ganglionares, horizontais e amácrinas); células bipolares “on-center” e “off-center”; antagonismo centro-vizinhança; distinção entre hemicampos esquerdo e direito, temporal e nasal; o núcleo geniculado lateral (NGL) do tálamo: segregação em colunas, retinotopia; córtex visual primário (V1); efeitos de lesões no tracto óptico; retinotopia ao nível do NGL; campos receptivos dos neurónios do sistema visual; a resposta das células ganglionares “on-center” e “off-center” a estímulos centrais e periféricos; resposta das células simples e complexas a estímulos luminosos – Aspectos cognitivos no córtex cerebral: o caso da linguagem; lateralização; áreas de Broca e de Wernicke; o modelo de Wernicke-Geschwind; afasias.

 

10. Audição

Guyton, pp. 570-579, Netter, p. 87

Limiar de audição em função da frequência – Ouvido externo, médio e interno – Ouvido médio: tímpano, martelo, bigorna, estribo – Ouvido interno (cóclea): escala vestibular, escala média, escala timpânica; membranas vestibular e basal – Membrana basilar: frequência de ressonância variável em função da posição na membrana; padrões de vibração em função da frequência; amplitude máxima no ponto em que a frequência da onda coincide com a frequência de ressonância da membrana; o órgão de Corti; células ciliadas; abertura de canais de K+ pelo deslocamento dos cílios – Mecanismos de determinação da intensidade sonora – Percurso das vias auditivas centrais – Córtex auditivo: córtex auditivo primário e associativo; representações tonotópicas – Mecanismos de localização da fonte sonora – Défices da audição.

 

11. Bioelectricidade e biomagnetismo

Malmivuo, pp. 3-11, pp. 133-146, pp. 190-192, pp. 201-206, Orrison, pp. 327-360, EEG, pp. 15-19, Orrison, pp. 369-415

Definições de bioelectricidade e bio(electro)magnetismo – Fontes volúmicas e condutores volúmicos – Modelos para fontes volúmicas: dipolo, quadrupolo... – O corpo humano como condutor volúmico – Problemas directo e inverso – Abordagens para a resolução do problema inverso - Conceito de "lead vector" e "lead field" – Princípios da electroencefalografia (EEG)– O cérebro como gerador bioeléctrico – Potenciais pós-sinápticos – Aquisição do electroencefalograma – O problema inverso em EEG – Actividade cerebral espontânea: ritmos alfa, beta, delta, teta – Diagnóstico da epilepsia – Potenciais evocados somatossensoriais e auditivos – Princípios da electroencefalografia (MEG) – Potenciais pós-sinápticos – Instrumentação de medida – O SQUID – Gradiómetros de 1ª ordem e ordens superiores – Aplicações: estudos cognitivos.

 

12. A contracção muscular

Guyton, pp. 67-86

Distinção entre músculo esquelético e músculo liso – Anatomia funcional do músculo esquelético:  sarcolema, sarcoplasma, fibras musculares, miofibrilhas, filamentos de miosina, filamentos de actina, discos Z, sarcómeros, retículo sarcoplásmico – Características moleculares dos filamentos de actina (actina, tropomiosina e troponina) e miosina – A teoria “walk-along”: interacção entre os filamentos de miosina e de actina, papel dos iões Ca2+ – Fontes de energia para a contracção muscular (regeneração de ATP) – Perfis de contracção dependentes das características do músculo – Anatomia da junção neuromuscular – Transmissão do impulso entre o neurónio e o músculo – Papel da acetilcolina e dos iões Ca2+, acção da acetilcolinesterase – Canal de Na+ sensível à acetilcolina – Situações de interferência na acção da acetilcolina e acetilcolinesterase: substâncias curariformes, inactivadores da acetilcolinesterase, miastenia – Potencial de acção muscular – Propagação do potencial de acção para o interior do músculo: papel dos túbulos T, retículo sarcoplásmico, iões Ca2+ – O electromiograma (princípios, aquisição, exemplos).

 

 13. O coração

Guyton, pp. 98 -116, Netter, p. 210

Anatomia cardíaca: aurículas, ventrículos, pequena e grande circulação, artéria pulmonar, aorta, veia cava, veia pulmonar, válvulas mitral, tricúspida, aórtica e pulmonar – Músculo cardíaco: ligação em retículo dos miócitos; “gap junctions”; sincício – O potencial de acção cardíaco: “plateau”, papel dos canais rápidos de Na+ e dos canais lentos de Na+/Ca2+, diminuição da permeabilidade da membrana a K+ – O ciclo cardíaco: sístole, diástole, enchimento dos ventrículos rápido, lento e por contracção dos ventrículos, esvaziamento dos ventrículos por contracção isovolúmica, ejecção de sangue e relaxamento isovolúmico – Produção de trabalho pelo coração: diagrama de volume-pressão – Controlo do ritmo cardíaco pelo sistema nervoso autónomo: acção dos sistemas simpático e parassimpático – Excitação rítmica do coração: papel do nodo sinusal – Transmissão do impulso cardíaco: nodo A-V, feixe A-V, papel das fibras de Purkinje, atraso na transmissão do impulso ao nível do nodo A-V.

 

14. O electrocardiograma

Guyton, pp. 118-146

O electrocardiograma (ECG) normal: onda P, complexo QRS, onda T – Registo correspondente a ondas de polarização e de despolarização – Relação entre o potencial de acção num ventrículo e o registo ECG – Fluxos de corrente em torno do coração: dependência do registo ECG relativamente à posição dos eléctrodos – Derivações bipolares padrão: triângulo de Einthoven – Outras derivações: derivações torácicas e derivações unipolares aumentadas – Análise vectorial do ECG: noção de vector médio instantâneo, eixos correspondentes às derivações bipolares padrão, relação com o conceito de “lead vector” – Interpretação da despolarização ventricular (complexo QRS), da repolarização ventricular (onda T) e da despolarização auricular (onda P) – Determinação do eixo eléctrico a partir do ECG de derivações padrão – Interpretação vectorial de situações patológicas: hipertrofia do ventrículo esquerdo, corrente de lesão (noção de “ponto J”) – Arritmias: taquicardia, bradicardia, bloqueio sinoauricular, bloqueio auriculoventricular de primeiro, segundo e terceiro grau, contracções prematuras ou extra-sístoles, fibrilhação ventricular e auricular.

 

15. Sistema respiratório

Guyton, pp.402-410, pp. 414-432, Netter, p. 184, pp. 193-194

Anatomia geral do aparelho respiratório: pulmões, caixa torácica, diafragma, traqueia, brônquios, alvéolos, pleuras, artéria e veia pulmonares, capilares – Mecanismos de expansão e contracção pulmonar: papel do diafragma e dos músculos intercostais – Papel do fluido pleural para evitar o colapso dos pulmões – Ciclo respiratório: evolução temporal da pressão pleural e da pressão alveolar; noção de pressão transpulmonar – Complacência pulmonar: diagrama de complacência, forças elásticas intervenientes, importância do surfactante – Trabalho respiratório: trabalho de complacência, trabalho de resistência dos tecidos, trabalho de resistência das vias aéreas – Volumes e capacidades pulmonares – Ventilação alveolar: noção de espaço morto, método de medição do volume de espaço morto – Anatomia da circulação intrapulmonar: alvéolos, bronquíolos, veia pulmonar, artérias brônquicas – Características das artérias pulmonares – Pressões nos vasos pulmonares: sistólica, diastólica e média – Fluxo sanguíneo nos pulmões: efeitos da pressão hidrostática, aumento com o exercício físico, as 3 zonas do fluxo sanguíneo, controlo da pressão arterial graças à variação do fluxo sanguíneo – Trocas gasosas entre alvéolos e capilares: composição gasosa do ar atmosférico, humidificado, alveolar e expirado; factores que determinam a taxa de difusão entre o ar alveolar e o sangue capilar; estrutura da membrana respiratória; capacidade de difusão do O2 e do CO2: variação com o exercício físico.

 

 

BIBLIOGRAFIA (todos os livros referidos estão disponíveis para consulta na biblioteca do Instituto de Biofísica e Engenharia Biomédica):

 

Bibliografia principal:

Cell: Molecular Biology of the Cell, Bruce Alberts et al., Garland Publishing Inc., 1994, 3rd  Ed.

Stryer: Biochemistry, Lubert Stryer, W H Freeman & Co, 1988, 4th  Edition.

Lodish: Molecular Cell Biology, Harvey Lodish et al., W H Freeman & Co, 1999, 4th  Ed.

Kandel: Principles of Neural Science, E. R. Kandel et al., McGraw-Hill, 2000, 4th  Edition.

Guyton: Textbook of Medical Physiology, A. C. Guyton, W. B. Saunders Co., 1991, 8th  Ed.

Brown: Medical Physics and Biomedical Engineering, B. H. Brown et al., Institute of Physics Publishing, 1999.

Malmivuo: Bioelectromagnetism, Jaakko Malmivuo, Robert Plonsey, Oxford Univ. Press, 1995.

(disponível online: http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/)

 

Bibliografia adicional:

Cell2: Essential Cell Biology, Bruce Alberts et al., Garland Publishing Inc., 1998.

Azevedo: Biologia Celular e Molecular, Carlos Azevedo (ed.), Lidel, 3ª ed.

Devlin: Textbook of Biochemistry with clinical correlations, Thomas M. Devlin, J Wiley & Sons, 1986, 2nd  Edition.

EEG: Electroencephalography – Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields, Ernst Niedermeyer, Fernando Lopes da Silva, Williams & Wilkins, 1993, 3rd Edition.

Kandel2: Essentials of Neural Science and Behavior, E. R. Kandel et al., Prentice Hall, 1995.

Netter: Atlas of Human Anatomy, F. H. Netter, Ciba-Geigy Corporation, 1994.

Beatty: Principles of Behavioral Neuroscience, Jackson Beatty, Brown & Benchmark, 1995.

Orrison: Functional Brain Imaging, William W. Orrison et al., Mosby, 1995.