Controle e Regulação

1. Controle e Regulação Princípios de feedback e Homeostase = constância de variáveis fisiológicas vitais. Variáveis reguladas = mantidas constantes ou quase constantes. Ex.: Tb nos homeotermos, glucose sangüínea etc Variáveis controladas = servem para manter a constância de uma variável regulada. Ex.: tx de sudorese, tx de glicogenólise, etc. Podem flutuar bastante. Mecanismos de regulação: Feedback negativo: corrige na direção oposta do desvio do ponto de ajuste (os desvios são autocorretivos) Feedforward ou alimentação antecipada= ação tomada para corrigir um desvio antes do desvio acontecer. Ex.:salivar antes de comer.

2. Teoria do Controle • a.     On-off • 1.     termostato • 2.     aquecedor ligado/ desligado • 3.     temperatura oscila ao redor do ponto de ajuste • b.     Controle Proporcional • 1.     muda em proporção ao tamanho do desvio • 2.     muitas vezes em situações de fluxo • 3.     tanque da descarga sanitária • 4.     se o fluxo se modifica, o ponto de ajuste se • modifica • 5.     regulação da resp. pelo CO2 arterial

3. c.     Controle Derivado ou Controle de taxa • 1.     muda em proporção à taxa do desvio • 2.     pode responder a mudanças rápidas • 3.     normalmente combinado com outros • sistemas de controle • d.     Controle Integral • 1.     muda em proporcão à integral do controle • 2.     pode lidar com erros diminutos que surgem lentamente.

4. Uso de Diagramas de Bloco • Representações de uma junção de somação, mostrando a ação de variáveis controladas sobre uma variável regulada. • Utilizados para se compreender circuitos complexos, quebrandos-os em blocos menores. Cada bloco realiza uma função particular e o diagrama mostra como estão conectados entre si. • Ex.: O resultado Y é dado pela soma dos sinais de alimentação A, B e C( cada variável é uma seta) • C • ↓+ • A  +  Y • ↑+ • B +

5. Modelo Simplificado da Regulação da [glucose]EC pelo controle da tx de secreção de insulina

6. Regulação da [glucose]extracelular (Modelos para prever peformances do sistema biológico real em resposta a uma infusão constante de solução de glucose) • Bloco 1 – junção de somação, na qual a taxa de entrada de glucose é subtraída da taxa de transporte de glucose para as células = taxa de mudança de [glucose]. • Bloco 2 – integra esta taxa p/ dar a quantidade total de glucose extracelular. • Bloco 3 – divide esta pelo volume do fluido extracelular a fim de obter a [glucose] extracelular. • Bloco 4 – caixa de função, onde o gráfico mostra a relação entre a entrada, a [glucose] extracelular e a saída, taxa de secreção de insulina.

7. Regulação da [glucose]extracelular- cont. • Bloco 5 – calcula a taxa líquida de entrada da insulina no fluido extracelular = taxa de mudança da insulina = taxa de secreção de insulina – taxa de destruição da insulina. • Bloco 6 – integra esta taxa líquida a fim de obter a quantidade total de insulina. A taxa de destruição da insulina é dada pela constante k x insulina total. • Bloco 7 – realiza esse cálculo. • Bloco 8 – calcula a [insulina], dividindo a insulina total pelo volume do fluido extracelular. • Bloco 9 – completa o circuito; o gráfico dentro dessa caixa de função relaciona transporte de glucose para as células com a [insulina] extracelular.

8. Regulação da [glucose]extracelular

9. Regulação em Bactérias

10. Nervos e Sistemas Nervosos • Estruturadascélulas Nervosas • 1. Neurônios:componentesbásicos de todosos SN, variedade de formas e tamanhosporém c/ algumascaracterísticascomuns = um corpocelular (ver., < 0,1mm diam) q contém o nu e mtasfibrasfinas (<0,01mm de espessura); ocorre no SNCformandoagregados =gânglios, e nosórgãossensoriais. • 2. Cadaneurônio tem um axônio (vários m no animal grande) + grande no. de fibrascurtas (dendritos), altamenteramificados (< 1mm e compr.). • 3. Um SN complexo tem imenso no. de neurônios. Ex.: cérebrohumano: 10 Bilhões.

11. EstruturadaCélula Nervosa Partes Funcionalmente mais importantes: 1.Axônio: principais linhas condutoras; maioria Mede de 1-10μm em diam; os da lula , 1000 μm. Um nervo consiste de 100’s ou 1000’s de ax, cada um se originando de um neurônio. 2. Sinapses: ponto onde neurônios e suas extensões fazem contato com outros neurônios. Um neurônio pode se conectar com 10’s de outros neurônos. Funcioa como uma válvula uni- Direcional.

13. Como osNeurôniosfuncionam • Um impulsonervoso é umacorreteelétricaqueviajaaolongo de dentritosouaxôniosdevidoaomovimento de íonsatravés de canais com portões de voltagemnamambranaplasmática dos neurônios. • Os canais de portão de voltagemabrem e fechamemresposta a umavoltagemelétrica, de talmaneiraquesãoafetadospormudançasnacargaelétricaaoredor deles.

14. Quando um neurônio está “em repouso”, uma diferença de carga é mantida entre o lado de dentro e o lado de fora da célula. Esta diferença de carga é produzida e mantida amplamente por transporte ativo utilizando bombas de Na+ e K+. As bombas enviam Na+ para fora da célula e trazem íons K+ para dentro.

15. Enquanto outros canais permitem algum fluxo de íons de K+ de volta para célula, os íons Na+ não podem voltar facilmente para dentro e assim, substituir as cargas positivas perdidas. O resultado final é que o exterior das células possui uma carga líquida positiva e o interior possui carga líquida negativa.

16. Potencial de Repouso da Membrana Diferença de carga entre o interior e o exterior da célula

17. Geração de um Impulso Nervoso Um impulso nervoso se inicia quando um estímulo perturba a membrana plasmática de um dendrito, fazendo os canais de Na+ se abrirem. Os íons de Na+ fluem para a célula, diminuindo a diferença de carga naquele local. Se a mudança for o suficiente, fará com que os canais de Na+ da vizinhança se abram.

18. Vídeo: Potencial de ação

19. Potencial de Ação da Membrana (PA) Isto permite muitos íons Na+ entrarem na célula naquele local, que a membrana lá fica “despolarizada” com a região local, o interior da célula com uma carga líquida positiva e o exterior com carga líquida negativa. Isto afeta os canais com portão de voltagem de Na+ da vizinhança, que, então se abrem, movendo a despolarização ao longo da membrana (PA)

20. Repolarização da Membrana Mudanças na região antes do potencial de ação para restaurar o potencial de repouso (PR), os canais com portão de voltagem de sódio fecham e os canais com portão de voltagem do K+ se abrem. Isto permite um fluxo rápido de íons K para fora da célula, “repolarizando” a membrana de tal maneira que o interior fica novamente com carga líquida negativa e o exterior com carga líquida positiva.

21. Seguem-se as bombas de Na-K para restaurar completamente o potencial de repouso da membrana e re-estabelecer a concentração apropriada dos íons Na+ e K+ dentro e fora da célula.

22. Diagrama de um Neurônio

23. Como calcular a diferença de potencial • Usando as leis da físico-química. • A diferença de potencial é causada pela distribuição desigual nos dois lados. • Descrito pela Equação de Nernst E= RT/F loge [K]f / [K]d • Em eletroquimica esta equação dá o potenial de eletrodo (E), em relação ao potencial de eletrodo padrão (Eo), das meias-células de uma bateria. • Em fisiologia, esta equação é usada para descobrirmos o potencial elétrico da membana de uma célula em relação a um tipo de íon.

24. E = Potencial elétrico R = constante universal dos gases [constante física que relaciona a quantidade de um gás (número de moléculas) com a pressão e a temperatura]. F = constante de Faraday = carga carreada por 1 equivalente de íons [K] = conc de K, dentro e fora da célula • À temp ambiente, os valores de R e T são tais que: Ek = 25 loge [K]f / [K]d mV = 58 log10[K]f / [K]d= -75mV, com o lado de dentro negativo em relação ao de fora. [K]f / [K]d = 1:20

25. Como medir o Potencial de membrana • Inserindo um microeletrodo • no axônio e lendo o potencial • relativo ao lado de fora. • O valor assim observado é • próximo daquele calculado, um • pouco menor (-60 a -70mV).

26. Como demonstrar que o PM é causado pelo gradiente de potássio • Mudando a razão entre [K]d • Qdo Kf é alto  o pot responde como previsto pela equação de Nernst, porém qdo Kf é baixo, o potencial observado desvia daquele previsto pela Equação de Nernst. • O que isso pode significar? Que a presença de outros íons deve ser considerada. • Contribuição de Goldman para explicar essa diferença entre pot observado e pot calculado: E = RT/F ln PK [K]f + PNa[Na]f + PCl [Cl]f • Se PNa fosse 0,01 da PK, a eq de Goldman prevê um PM a [K]f que corresponde aos pontos realmente observados.

27. Experimento para demontrar que o elemento essencial era a integridade da membrana e não a composição do axoplasma • Baker et al., 1962 – removeu o conteúdo do axoplasma e substituiu por solução salina artifiial (Fig. 11.7) o axônio se comportou como axônio normal; pôde ficar excitável por muits horase capaz de dar 100’de PA. • Conclusões: • O axoplasma não possui nenhum elemento estrutural necessário para gerar PM; pôde ser substituído por solução artificial; • Se o Kd for diferente do normal, o PM muda como previsto pelas equações, e se Kd=Kf, o PR é abolido; o PM pode mesmo ser revertido fazendo a [K]d < [K]f

28. O que aconteceria com o PM se a PNa fosse aumentada • O grad de conc e o PM puxaria Na+ pra dentro tornando o lado de dentro positivo até que o potencial evite mais Na entrar. • O PM seria de acordo com a eq de Nernst +55mV (dentro +). • Assim, a membrana passou de um PM de -70mV (pot do K) para +55mV (pot do Na). • O PM pode se alterar 125mV, meramente aterando-se as permeabilidades relativas ao Na e K = Pot Ação (PA)

29. Vídeo Bomba de sódio

30. Papel da Bomba de Sódio • O Na que entrou na célula qdo a • PNa estava alta deve ser removido • p/ manter o sistema funcionando • Normalmente = TA. • Esta qt de Na pode ser calculada a • partir de considerações teóricas ou • medida experimentalmente: • o axônio é submerso em água do • mar com 24Na  estimula-se repeti- • damente o axônio p/ produzir PA • Os Na+ entram no ax e o lado de dentro se torna radioativo  após cessar o estímulo, o ax fica em repouso, o Na é removido lenta- mente do lado de dentro.

31. Como demonstrar que a saída de Na é através de Transporte Ativo • Envenena-se a bomba de sódio com dinitrofenol (DNP)  cessa a saída do Na e a [Na]d pemanece constante  após outra estimulação, mais Na entra, mostrando que o PA e a entrada de Na estão acoplados. • Outra demonstração: Injeta-se 24Na em axônio gigante através de microtubos de vidro  o ax é colocado em volume conhecido de água do mar  a tx na qual o 24Na deixa o ax é medida  se o ax for envenenado com DNP , a tx de saída do Na cai drasticamente  DNP interfere com o proc de resp que fornece ATP, o requerimento da bomba de sódio  Se ATP for adicionado ao ax, haverá aumento transitório na tx de saída do Na.

32. Universalidade da Bomba de Sódio • Todas as células possuem bomba de sódio • Na-K-ATPase = grande proteína (120kDa com subuniades de 35kDa) • Mantém a [Na]IC baixa e [K]IC alta • É crucial para todos os órgãos, mas especialmente para o tecido nervoso e o cérebro. • A hidrólise do ATP coloca o Na+ para fora da célula e o K+ para dentro.

33. Localização da bomba de sódio • Uso do glicosídeo ouabaína marcado com 3H. • Este glicosídeo inibe a Na-K-ATPase, se ligando ao sítio ativo da bomba. • Axônios de lula possui 1000’s de bombas/μm2.

34. Na,K-ATPase

35. Canais e Portões • Durante o PA os íons fluem através da membr. graças aos gradientes de concentração. • Esses movimentos são auxiliados por proteínas de transporte específicas da membr celular lipídica, q formam canais através dos quais solutos podem ser transportados por simples difusão. • Alguns canais ficam continuamente abertos; outros abrem • transitoriamente = canais com portões (de voltagem, em resposta a • mudanças no PM; portões ligantes, em resposta a um agente externo, • um ligante.

36. Canais de Na e K Baiacu • Durante um PA, Na e K se movimentam em direções opostas, utilizando canais diferentes. Demonstração? • Uso do veneno do peixe baiacu – alcalóide tetrodotoxina(TTX)- bloqueia o canal com portão de voltagem para o Na, enquanto deixa os de K inafetado.

37. Tetrametil amônio (TEA) • Um outro veneno- tetrametil amônio (TEA) bloqueia os canais de K enquanto deixa os de Na inafetados. • É possível estudar experimentalmente o fluxo de íons Na, sem inteferência dos íons K, que se movimentam no sentido oposto. • Pode-se medir a qt de Na que circula através da membrana pela medida da corrente elétrica gerada pelo fluxo iônico.

38. Seqüência de Eventos na Propagação do PA • Um ponto do axônio sofre despolarização • Os portões de Na se abrem • Entram na célula e mudam o PM • A área adjacente se despolariza parcialmente • Os canais se abrem e o Na entra e despolariza completamente a membrana. • Os canais de K se abrem mais lentamente.

39. Potencial de Ação

40. A Função de Canais com Portões de Voltagem

41. Insetos que se alimentam de plantas pobres em Sódio conseguem ter PA similares àqueles dos demais animais? • O SN dos insetos é circundado por uma bainha nervosa, que separa o nervo do contato imediato com o FEC. Essa bainha consiste de uma camada não celular externa + membrana interna (perineurium)- camada única de células especializadas. • A bainha age como uma barreira que separa a superfície do axônio da hemolinfa e assim, restringe o movimento de materiais entre a hemolinfa e o fluido nas superfícies neuronais. • O Na+ nessas superfícies pode ter uma ordem de magnitude maior do que aquela da hemolinfa. A [Na+] é mantida nas superf neuronais provavelmente através de uma bomba de Na+.

42. Velocidade da Condução Nervosa Velocidade = k√ d • o tamanho dos PA é similar entre os animais, porém, a velocidade de condução varia de nervo p/ nervo e de animal para animal. • A constância de proporcionalidde k varia tb dentre os animais. • Os axônios dos vertebrados possuem alta velocidade de condução porque são recobertos por uma fina camada de mielina (formada pelas células gliais de sustentação), que é interrompida a intervalos curtos, expondo a membrana nervosa (nódulos de Ranvier).

43. Tabela. Velocidade de condução (m.s-1) em nervos de vários animais

44. Fatores que interferem com a velocidade da condução nervosa • Mielinização + grande diâmetro = a distância entre os nódulos de Ranvier aumenta com o diâmetro do axônio. • Como o retardo da condução ocorre nesses nódulos, um menor número de nódulos nos axônios maiores permite ma propagação mais rápida do PA. • Mielinização + Diâmetros muito pequenos (< 1μm) Fibras mielinizadas  Fibras não-mielinizadas  Importante consequência: para diam muito pequenos (<1μm), os axônios melinizados conduzem mais lentamente do que os não-mielinizados = coincide com o limite mínimo p/ o tamanho real das fbras mielinizadas no organismo, que nunca é menor do que 1μm em diam.(Fig.11.13). velocidade = k.d Velocidade = k√ d

45. Velocidade de Condução x Mielinização x Diâmetro • Grande vantagem das fibras • Mielinizadas: seu tamanho • pequeno, que permite um SN • complexo, com altas velocida- • des de condução, sem espaço • indevidamente ocupado pelos • condutores. • Se quiséssemos aumentar 10X • a velocidade de condução em • uma fibra NM necessitaríamos • de um aumento de 100X no diam, • e volume do nervo/unidade de comp- • primento seria aumentado 10.000X.

46. Invertebrads com múltiplas camadas de Mielina • Alguns invertebrados (insetos, minhocas, caranguejos e camarões) possuem fibras nervosas cobertas com múltiplas camadas de mielina similares à mielinização dos nervos dos vertebrados. • A velocidade de condução dessas fibras é bem maior do que aquela das fibras não mielinizadas de diâmetro similar. • Ex.: Palaemonetes vulgaris – diâm = 26µm  v = 18-23 m s –1, bem mais rápida do que em outros nervos de diâm similar, porém não tão alta quanto a velocidade da condução nos nervos mielinizados dos vertebrados.

47. Múltiplas Camadas de Mielina • As camadas são arranjadas mais frouxamente • Há um espaço EC entre a camada interna da bainha e o axônio. Assim, menos membranas estão presentes em uma bainha de camarão de uma dada espessura do que na bainha de mielina de fibras de vertebrados da mesma espessura. 3) Os espaços formam um reservatório para íons que aumenta a capacitância da bainha nervosa = Explicação para terem veloc menor do que a dos vertebrados. 4) Oespaçamento entre os nódulos é menor e, como o retardo da veloc. da condução está nos nódulos, o maior número de nódulos explica a menor velocidade de condução.

48. Sinapses: Inibição, Excitação e Computação • Como a informação é transferida de um neurônio para outro? A transmissão de sinais nas sinapses é de dois tipos distintos: elétrica ou química.

49. Sinapses Elétricas (menos difundidas que as sinapses químicas): demonstradas em lagostim, vários artrópodes, anelídeos, celenterados e moluscos. Nas SE a extremidade de um axônio fica tão próxima da membrana do próximo neurônio que há continuidade elétrica entre o interior do axônio e o próximo neurônio – junções gap (2nm) – esse espaço forma um caminho de baixa resistênciaque fornece um desvio para a corrente fluir do terminal do axônio para a próxima célula.