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U N I D A D E 1 B I O F Í S I C A E A C Ú S T I C A P O R Q U E E S T U D A R B I O F Í S I C A ? Cecília Juliani Aurélio AUTORA APRESENTAÇÃO Olá! Bem-vindo(a) à nossa disciplina! Iremos trabalhar juntos nesta disciplina. Será um prazer acompanhar você! A disciplina de Biofísica é ministrada para vários cursos da área biológica e da saúde. A Biofísica trata dos fenômenos da vida, desde a escala molecular a ecossistemas completos. A proposta é conhecer a física do cotidiano aplicada ao estudo da natureza e da biologia. Sem dúvida, Biofísica é uma ciência interdisciplinar que nos ajuda a abordar o ser vivo como um corpo, que, ocupando lugar no espaço e transformando energia, existe num meio ambiente o qual interage com este ser. O conteúdo é composto por aplicações da Biofísica, passando por sua história, seus principais conceitos, as unidades de medida, os níveis de organização da matéria e os fluxos de energia. Também estudaremos os princípios básicos da Acústica, que é o estudo do som e dos fenômenos a ele relacionados. O objetivo é oferecer uma base lógica clara sobre conceitos biofísicos, para a compreensão de suas aplicações em sistemas biológicos. Ao final, você poderá ter um melhor entendimento dos fenômenos que ocorrem no seu corpo e no ambiente que lhe rodeia. Enfim, a ideia dessa disciplina é facilitar o entendimento dos fenômenos biológicos, com novos conceitos biofísicos. Espero que esta disciplina contribua para sua formação profissional. Bons estudos! 01 APRESENTAÇÃO Conhecer os aspectos históricos da Biofísica, refletindo sobre sua aplicabilidade nas mais diversas áreas e sua evolução até os dias atuais. Nesta unidade 1, você deve adquirir os seguintes aprendizados: 02 CONHEÇA O CONTEUDISTA Meu nome é Cecília Juliani Aurélio, docente em nível superior no Centro Universitário Sant’Anna em graduação em Enfermagem e demais cursos da área da saúde. Docente em cursos de nível médio / técnico na ETEC Parque da Juventude - Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza. Mestrado em Ciências – Programa de Pós-graduação em Sustentabilidade. Bacharel em Enfermagem, Tecnóloga em Gestão Ambiental e Licenciada em Biologia. Especialista em Terapia Intensiva, em Centro de Diagnósticos e em Gestão Ambiental. Atuação em segmento hospitalar como enfermeira assistencial em UTI, Pronto Socorro, Clínica Médico-Cirúrgica, Saúde da Mulher e da Criança. Conte comigo! Mais uma vez, muito bem-vindo(a)!!! Cecília Juliani Aurélio 03 Introdução A Biofísica é uma área interdisciplinar que utiliza os princípios e as leis da Física para entender, descrever e avaliar o funcionamento dos sistemas biológicos. Nas universidades, a Biofísica é inserida principalmente nos cursos da área da saúde, como uma disciplina que busca, nas relações fundamentais da Física, subsídios para o entendimento do corpo humano e suas interações, a fim de proporcionar e adequar tratamentos mais eficazes e completos (CAUDURO e LUDKE, 2017). A Biofísica possibilita termos uma visão diferenciada do mundo. Perceberemos que o ambiente, nosso corpo e nossas células são a mais pura expressão do conceito de “vida”. A Biofísica fornece instrumentos conceituais que permeiam as mais diversas áreas, formando os signos e significados presentes no avanço tecnológico (FREIRE et al. 2007). A Biofísica é considerada uma área de estudo específica da biologia, assim como a genética, botânica e biologia molecular, tendo como objeto de estudo os diferentes sistemas biológicos (DELATORRE, 2015). A Biofísica é estudada em diversos cursos da área da saúde e apresenta um elevado nível de importância e complexidade, já que fornece subsídios para que o profissional entenda o corpo humano, estabelecendo relações entre essas duas grandes áreas do conhecimento: a Biologia e a Física (CAUDURO e LUDKE, 2017). A ferramenta de trabalho principal da Biofísica é a Física, o que permite uma descrição melhor elaborada e precisa dos fenômenos biológicos, bem como traçar correlações com o meio ambiente (DELATORRE, 2015). Mostra-se um conhecimento refinado em ciências da vida, de tal maneira que possam ser notórios em suas argumentações características químicas dos sistemas biológicos, princípios físicos do transporte molecular através de membranas celulares, a natureza energética do transporte molecular na célula, o controle elétrico e operacional dos sinais gerados em nervos e músculos, as ações eletroquímicas resultantes em células excitáveis, o uso racional da radiação ionizante e seus efeitos biológicos e a devida aplicabilidade da física em sistemas circulatório e respiratório (DELATORRE, 2015). UNIDADE 1 04 BIOFÍSICA NA ÁREA DA SAÚDE A Biofísica é uma área de muita importância para as ciências da saúde. Seus saberes fornecem a base necessária para que, juntamente com outros conhecimentos da Fisiologia e Anatomia, o corpo humano possa ser descrito e entendido sob o ponto de vista de leis e princípios da Física. Com isso, é possível fornecer tratamentos mais específicos e consequentemente melhorar a prática dos profissionais, objetivando o bem-estar dos pacientes (CAUDURO e LUDKE, 2017). A Biofísica é uma área interdisciplinar que utiliza os princípios e as leis da Física para entender, descrever e avaliar o funcionamento dos sistemas biológicos. Nas universidades, a Biofísica é inserida principalmente nos cursos da área da saúde como uma disciplina que busca, nas relações fundamentais da Física, subsídios para o entendimento do corpo humano e suas interações, a fim de proporcionar e adequar tratamentos mais eficazes e completos. Dessa forma, a Biofísica é capaz de dar suporte ao profissional de saúde através das habilidades técnicas e conceituais, utilizando em benefício dos pacientes (CAUDURO e LUDKE, 2017). O termo Biofísica foi usado pela primeira vez por Karl Pearson em 1892, que usou este nome para interconectar os conhecimentos físicos e biológicos da época. Com o passar dos anos e a melhor compreensão de conceitos envolvendo a Biofísica, o termo passou a englobar também aspectos físico-químicos e matemáticos (DELATORRE, 2015). A seguir, serão apresentadas descobertas relevantes da Biofísica, o que mostra sua fundamental importância na área da saúde: “MÁQUINA VOADORA” Entre 1480 e 1505, Leonardo da Vinci investigou os princípios mecânicos dos voos de pássaros e usou as informações para engenharia. Fez um projeto da asa da máquina voadora (Figura 1), que esboçou planadores a partir da observação do voo dos pássaros, por volta de 1488, confirmando o valor da experiência científica para os mestres do Renascimento. 05 BIOFÍSICA E ACÚSTICA DESCOBERTAS DA BIOFÍSICA 06 BIOFÍSICA E ACÚSTICA Figura 1 - Projeto da asa da máquina voadora idealizada por Leonardo da Vinci. Figura 2 – Luigi Galvani e seu experimento de Bioeletricidade BIOELETRICIDADE Os impulsos nervosos foram descobertos acidentalmente por um professor de Anatomia, Luigi Galvani. Ele notou que uma corrente elétrica liberada de uma garrafa de Leyden (instrumento utilizado na época para armazenar eletricidade estática) causava a contração muscular da pata de uma rã dissecada (Figura 2). Ele publicou sua pesquisa em 1791, concluindo que o corpo dos animais era capaz de produzir e armazenar um tipo de fluido elétrico que era responsável pela contração muscular. Através de estudos sobre Bioeletricidade, é possível compreender como se dá o potencial de repouso e ação de uma célula, o que viabiliza a permeabilidade da membrana celular a vários íons. Como exemplo amplamente visto tanto na educação básica como no ensino superior, temos a bomba de sódio (Na+) e potássio (K+), indispensável no processo de condução nervosa e comunicação celular. Também se relacionam com a Bioeletricidade células capazes de se autoexcitar, produzindo, de modo rítmico, o potencial de ação. Tais células são responsáveis por iniciar movimentos biológicos repetitivos, como batimentos cardíacos e frequência respiratória (SILVA, DIAS e LUNA, 2019).Este Médico e físico fez importantes contribuições para a física pura (termodinâmica e magnetismo) e desenvolveu grandes aplicações físicas na medicina sobre os aspectos ópticos do olho humano e sobre a teoria da audição. Wilhelm Conrad Röntgen foi um físico e engenheiro mecânico alemão. Em 8 de novembro de 1895, produziu e detectou radiação eletromagnética nos comprimentos de onda correspondentes aos atualmente chamados raios-X. Por essa descoberta, recebeu seu primeiro Nobel de Física em 1901 (Figura 4). Hermann von Helmholtz, em 1850, inventou um oftalmoscópio e desenvolveu teorias na percepção espacial, visão cromática e motora (Figura 3). 07 BIOFÍSICA E ACÚSTICA OFTALMOSCÓPIO RAIO X Figura 3 - Hermann von Helmholtz e o oftalmoscópio 08 BIOFÍSICA E ACÚSTICA Figura 4 - Wilhelm Conrad Röntgen, o descobridor do raio X É fundamental destacar as radiações como fatores que influenciam o desenvolvimento dos seres vivos. As radiações são emissões de energia, seja por meio de onda ou partículas, e podem ser classificadas como: ionizantes, capazes de gerar ionização da matéria – podendo ser do tipo alfa, beta, gama ou raio-X ou não ionizantes –, não causam ionização nos tecidos, apenas excitam os materiais biológicos, acelerando as reações químicas; por exemplo a radiação ultravioleta, infravermelho e luz visível (SILVA, DIAS e LUNA, 2019). Análises de difração de raios-x foram usados pela primeira vez em 1934 para estudar a estrutura molecular. Mais tarde, em 1944, Otto Glasser, que desenvolveu o "dosímetro" para medir a exposição de raios-x, publicou um livro chamado "Medical Biophysics". Henry Hallett Dale fez análises de ações do tecido cardíaco e descobriu a acetilcolina (ACH) como um neurotransmissor. Outros estudiosos como William Maddock Bavliss, Ernest Henrye e T.R. Elliot também descobriram a adrenalina como um hormônio simpaticomimético e neurotransmissor. Anos depois, o professor de fisiologia Otto Loewi confirmou as descobertas da existência de transmissão química no Sistema Nervoso Autônomo. Max Ferdinand Perutz, conjuntamente com John Kendrew, foi agraciado com o Nobel de Química de 1962 devido aos seus estudos sobre a estrutura das proteínas globulares (Figura 5). Durante mais de vinte anos, Max Perutz explorou por cristalografia de difração de raios X a estrutura 3D da macromolécula. NEUROTRANSMISSORES PROTEÍNA GLOBULARES 09 BIOFÍSICA E ACÚSTICA IMPULSOS NERVOSOS Os fisiologistas britânicos Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley descobriram, estudando minhocas e lagostas, peculiaridades sobre os impulsos nervosos, predominantes até hoje. Em 1963, Hodgkin e Huxley viriam a dividir o Nobel de Medicina e Fisiologia com o neurofisiólogo australiano John Eccles pelos trabalhos sobre o funcionamento dos neurônios (Figura 6). Figura 5 - Max Ferdinand Perutz e seu modelo de hemoglobina Figura 6 – Experimento de Hodgkin e Hulex O Ácido Desoxirribonucléico (DNA) teve sua estrutura descoberta em março de 1973, através de análises dos estudiosos James Watson e Francis Crick (Figura 7) em um laboratório na Inglaterra. A descoberta da dupla hélice deu novos rumos à ciência, bem como novos estudos aprofundados, como até os mais recentes, que envolvem a possibilidade de reprodução por clonagem. 10 BIOFÍSICA E ACÚSTICA DNA ESTRUTURA MOLECULAR DO DNA Figura 7 - James Watson e Francis Crick; a descoberta do DNA Figura 8 - Rosalind Elsie Franklin e sua “fotografia 51” Rosalind Elsie Franklin foi uma química britânica que contribuiu para o entendimento das estruturas moleculares do DNA, RNA, vírus, carvão mineral e grafite. Foi autora da “fotografia 51” – imagem com ótima definição do DNA obtida pela cientista, sendo o melhor registro fotográfico da estrutura já obtido até então (Figura 8). 1 1 BIOFÍSICA E ACÚSTICA Figura 9 - Georg von Békésy e o selo comemorativo do seu Prêmio Nobel em 1961 na Suécia Figura 10 – Bernard Katz e as sinapses Georg von Békésy foi premiado pelo Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina em 1961 pela sua pesquisa sobre a cóclea (Figura 9). Em suma, através de técnicas anatômicas em cadáveres, ele desenvolveu uma forma rápida e não destrutiva de dissecção da cóclea. Ao dissecar a cóclea ele observou que, ao estimular a mesma com qualquer frequência sonora, a onda dessa frequência propagava-se por toda a membrana basilar, deslocando-a. Georg von Békésy revolucionou a teoria da ressonância magnética com sua pesquisa sobre problemas com telecomunicações; por meio desta, descobriu as características mecânicas da transdução neural no ouvido interno. Bernard Katz (Figura 10) ficou famoso por seus estudos, dos quais decorreram a descoberta das propriedades fundamentais das sinapses, junções entre as quais as células nervosas sinalizam entre si e com outros tipos de células. Pela descoberta, ganhou, em 1967, a Medalha de Copley, a maior láurea da Real Sociedade, e, em 1970, o Prêmio Nobel de Medicina. CÓCLEA SINAPSES O trabalho do Bernard Katz teve influência imediata no estudo dos organofosforados e organoclorados, a base de um novo estudo pós-guerra para agentes nervosos e pesticidas. SUBÁREAS DA BIOFÍSICA Biofísica molecular – Estruturas e dinâmicas de biomoléculas como ácidos nucléicos, lipídios, carboidratos e proteínas. Bioenergética e fluxos metabólicos. Relações estrutura-atividade, Físico-química biomolecular; Biofísica genética e celular – Regulação de genes e movimentação de cromossomos nas diferentes fases celulares, transporte intracelular, permissividade de membrana, potenciais de membrana; Biofísica computacional – Simulações de dinâmicas moleculares, acoplamentos moleculares, uso de química quântica e redes neurais, modelagem molecular, modelagem de populações e sistemas ecológicos; Biofísica fisiológica e médica – Explica vários aspectos e sistemas do corpo de uma perspectiva física e matemática. Exemplos são dinâmica de fluidos do fluxo sanguíneo, física dos gases da respiração, radiação em diagnóstico/tratamento, bases físicas do movimento do corpo e movimento dos órgãos internos; Biologia quântica – O campo da biologia quântica aplica a mecânica quântica a objetos e problemas biológicos. Esses estudos implicam aplicações em computação quântica. ENFIM, POR QUE ESTUDAR BIOFÍSICA? A Biofísica é o estudo da Matéria, Energia, Espaço e Tempo nos Sistemas Biológicos. A composição, estrutura e função quantitativa e qualitativa dos fenômenos e compostos orgânicos são mensuradas pelas grandezas físicas e suas derivadas (FREIRE et al. 2007). A Biofísica é um componente que integra o currículo de diversos cursos da área das Ciências Biológicas e da Saúde. É uma ciência interdisciplinar, complexa, uma vez que os temas estudados nessa área são frequentemente incluídos em outras, como a fisiologia, a bioquímica, além de ter desenvolvido áreas específicas de estudos, tais como biomecânica, bioeletricidade, radiobiologia, dentre outras (GARCIA, 2002). 12 BIOFÍSICA E ACÚSTICA 13 BIOFÍSICA E ACÚSTICA A Biofísica é essencial para compreender como são compostas as moléculas da vida, como partes diferentes de uma célula se movem e funcionam, e como sistemas complexos como, cérebro, circulação, sistema imunológico, funcionam. É um campo onde cientistas de várias áreas, incluindo matemática, química, física, engenharia, farmacologia e ciências dos materiais, usam suas habilidades para desenvolver alternativas que possibilitem a compreensão dos sistemas biológicos em sua dimensão complexa (SILVA, DIAS e LUNA, 2019). CONCLUINDO A UNIDADE Pensar a dimensão complexa da Biofísica é, portanto, dialogar com diversas áreas do conhecimento, reconhecendo que nada está isolado, nenhum conhecimento é fixo e imutável e que existem múltiplas dimensões do saber, do fazer e do saber fazer ciência, educação e ensino de ciências, particularmente, ensino da biofísica (SILVA, DIAS e LUNA, 2019). A base científica sólida da física permitiu que processos biológicos simples fossem corretamente explicados, não mais usando apenas o observacionalque a característica marcante da biologia do início do século XX e sim fundamentos moleculares. Na próxima unidade, estudaremos conceitos básicos da Biofísica. 14 BIOFÍSICA E ACÚSTICA DICA DO PROFESSOR Colin Johnson, professor associado à Biofísica do OSU College of Scienc explica um estudo recente sobre a restauração da audição de surdos. O estudo utiliza princípios da Biofísica. Uma pesquisa da Oregon State University desenvolve uma terapia genética em torno de um grande gene responsável por uma proteína do ouvido interno, otoferlin, que pode restaurar a audição de surdos congênitos. Uma mutação no otoferlin é um dos responsáveis pela perda auditiva congênita severa. Onde o paciente não escuta nada ou quase nada desde o nascimento. “Muitos genes encontraram várias coisas para fazer, mas o gene otoferlin parecia ter apenas um propósito: codificar o som nas células ciliadas sensoriais do ouvido interno. Pequenas mutações no otoferlin tornam as pessoas profundamente surdas”, disse Colin Johnson, professor associado de bioquímica e biofísica do OSU College of Scienc. A ideia é levar o otoferlin para restaurar a parte danificada no ouvido do paciente. O problema, no entanto, é que o gene é muito grande para ser levado em uma terapia molecular. A solução é testar uma versão quebrada do gene, que é menor, mas pode ter seu funcionamento comprometido. Restaurar a audição de surdos – A principal dificuldade dos cientistas é partir o gene de forma que a parte conhecida como domínio transmembrana permaneça intacta. Sem o domínio transmembrana, as células sensoriais demoram para se desenvolver e não é possível restaurar a audição de surdos. “Isso foi surpreendente, pois o otoferlin era conhecido por ajudar a codificar a informação auditiva, mas não havia sido considerado envolvido no desenvolvimento das células sensoriais”, explicou Johnson. . 15 DICA DO PROFESSOR Para isso, os cientistas criaram uma versão modificada do gene usando um peixe-zebra. “Descobrimos que a perda do domínio transmembrana faz com que as células ciliadas sensoriais produzam menos otoferlin, bem como déficits na atividade das células ciliadas. A mutação também causou um atraso na maturação das células sensoriais, o que foi uma surpresa. No geral, os resultados argumentam que o domínio transmembrana deve ser incluído em qualquer construção de terapia genética”, disse Aayushi Manchanda, que conduz o estudo. Para isso, os cientistas criaram uma versão modificada do gene usando um peixe-zebra. “Descobrimos que a perda do domínio transmembrana faz com que as células ciliadas sensoriais produzam menos otoferlin, bem como déficits na atividade das células ciliadas. A mutação também causou um atraso na maturação das células sensoriais, o que foi uma surpresa. No geral os resultados argumentam que o domínio transmembrana deve ser incluído em qualquer construção de terapia genética”, disse Aayushi Manchanda, que conduz o estudo. Link: https://olhardigital.com.br/2021/05/19/medicina-e-saude/terapia-genetica- pode-restaurar-audicao-de-surdos . 16 https://olhardigital.com.br/2021/05/19/medicina-e-saude/terapia-genetica-pode-restaurar-audicao-de-surdos/ SAIBA MAIS 17 Biofísica é Física na Biologia, ou Biologia na Física? Para complementar sobre as aplicações da Biofísica, sugere-se o seguinte vídeo. Vídeo: O que é Biofísica? Autor: IBCCF Link: https://www.youtube.com/watch?v=DQourRJdg6A https://www.youtube.com/watch?v=DQourRJdg6A EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO Questão 1: “Ele notou que uma corrente elétrica causava a contração muscular da pata de uma rã dissecada. Concluiu que o corpo dos animais era capaz de produzir e armazenar um tipo de fluido elétrico que era responsável pela contração muscular: a Bioeletricidade”. O texto trata de qual cientista? a) Luigi Galvani b) Bernard Katz c) Hermann von Helmholtz d) Wilhelm Conrad Röntgen 18 SEU GABARITO EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO Questão 2: “Ele produziu e detectou radiação eletromagnética nos comprimentos de onda correspondentes aos atualmente chamados raios-X”. O texto trata de qual estudioso? a) Luigi Galvani b) Bernard Katz c) Hermann von Helmholtz d) Wilhelm Conrad Röntgen 19 SEU GABARITO EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO Questão 3: : “Ficou famoso por seus estudos, dos quais decorreram a descoberta das propriedades fundamentais das sinapses, junções entre as quais as células nervosas sinalizam entre si e com outros tipos de células”. O texto trata de qual cientista? a) Luigi Galvani b) Bernard Katz c) Hermann von Helmholtz d) Wilhelm Conrad Röntgen 20 SEU GABARITO EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO Questão 4: “Médico e físico que fez importantes contribuições para a física pura (termodinâmica e magnetismo) e desenvolveu grandes aplicações físicas na medicina sobre os aspectos ópticos do olho humano, pois inventou o oftalmoscópio”. O texto trata de qual estudioso? a) Luigi Galvani b) Bernard Katz c) Hermann von Helmholtz d) Wilhelm Conrad Röntgen 21 SEU GABARITO EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 22 Questão 5: Georg von Békésy foi premiado pelo Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina em 1961 por sua teoria da ressonância magnética com a pesquisa sobre problemas com telecomunicações. O foco de seu trabalho na Biofísica foi: a) pesquisa sobre a cóclea b) descoberta dos impulsos elétricos c) descrição dos neurotransmissores d) invenção do oftalmoscópio SEU GABARITO 23 ANOTAÇÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAUDURO, P.J.; LUDKE, E. Revisão bibliográfica sobre o ensino de Biofísica. Revista Eletrônica de Extensão da URI, vol. 13, n.24: p.418-424, maio/2017. DELATORRE, P. Biofísica para Ciências Biológicas. João Pessoa: Editora da UFPB, 2015. FREIRE, J. et al. Fundamentos de Física e Biofísica. Faculdade de Tecnologia e Ciências, 1ª edição, 2007. GARCIA, E. A. C. Biofísica. São Paulo: SARVIER, 2002. SILVA, M.G.S.; DIAS, M.A.S.; LUNA, K.P.O. Ensino de biofísica e complexidade: diálogos necessários. Encontro Anual da Biofísica, 71-73, 2019. 24 GABARITOS 1- Gabarito: A Justificativa do gabarito: Foi Luigi Galvani que publicou suas descobertas sobre Bioeletricidade em 1791. 2- Gabarito: D Justificativa do gabarito: Wilhelm Conrad Röntgen foi um físico e engenheiro mecânico alemão que descobriu os raios-X, por essa descoberta recebeu seu primeiro Nobel de Física, em 1901. 3- Gabarito: B Justificativa do gabarito: Pela descoberta, Bernard Katz ganhou, em 1970, o Prêmio Nobel de Medicina. 4- Gabarito: C Justificativa do gabarito: Hermann von Helmholtz, em 1850, inventou um oftalmoscópio e desenvolveu teorias na percepção espacial, visão cromática e motora. 5- Gabarito: A Justificativa do gabarito: Georg von Békésy, através de técnicas anatômicas em cadáveres, desenvolveu uma forma rápida e não destrutiva de dissecção da cóclea. 25