Aula8

Biofísica

Biofísica da visão Prof. Dr. Walter Filgueira de Azevedo Jr.

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BIOFÍSICA

Resumo • Ótica geométrica • Anatomia do olho • Erros de visão • Ilusão de ótica • Estrutura da retina • Mácula e fóvea • Fotorreceptores • Absorção da luz pela rodopsina • Estrutura do bastonete • Estrutura do cone • Excitação dos fotorreceptores

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Índice de Refração A refração ocorre quando um feixe luminoso incide sobre um meio material transparente e sofre um desvio. Considerando-se um meio transparente, como o vidro, a luz ao incidir sobre o vidro sofre uma diminuição da sua velocidade de propagação, quando comparada com a velocidade de propagação do feixe luminoso no ar. Ar Vidro Feixes luminosos

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Índice de Refração Uma forma de quantificar a refração de um meio material é por meio do índice de refração. O índice de refração é determinado pela divisão da velocidade de propagação da luz no ar (vAr ), pela velocidade da luz no vidro(vVidro ), conforme a equação abaixo. Quanto maior a redução da velocidade de propagação da luz, ao entrar no vidro, maior será seu índice de refração. O índice de refração pode ser usado para caracterizar qualquer sistema ótico, tais como, lentes, instrumentos óticos e o olho. Velocidade de propagação da luz no ar n=

vAr vVidro Velocidade de propagação da luz no vidro

Índice de refração do vidro

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Índice de Refração Se a velocidade de propagação da luz no vidro passa para 200.000 km/s, temos que o índice de refração do vidro (n) é de 1,5, como mostrado abaixo. Observe que o índice de refração é uma grandeza física adimensional.

n=

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vAr 300.000 km/s = = 1,5 200.000 km/s vVidro

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Lente Convexa A lente convexa focaliza os feixes luminosos de uma fonte distante, do lado esquerdo da figura, focalizando-o para uma ponto, no outro lado da lente. Esse ponto é chamado de foco, e a distância da lente até o foco de distância focal.

Feixes luminosos foco

Lente convexa

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Lente Côncova A lente côncova diverge os feixes luminosos de uma fonte distante, ao contrário da lente convexa a lente côncova não apresenta ponto focal. Feixes luminosos

Lente côncova

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Poder de Refração Podemos medir o poder de refração de uma lente a partir do conceito de dioptria. Definimos dioptria como a razão entre 1 metro e a distância focal da lente, assim uma lente com distância focal de 1 metro apresenta poder de refração de 1 dioptria, se a distância focal for de 0,5 m o poder de refração é de 2 dioptrias, com uma distância focal de 10 cm temos 10 dioptrias.

f 1m

Poder de refração = 1m / f

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Formação de Imagem Fontes puntiformes

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Pontos focais

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Formação de Imagem no Olho Podemos fazer uma analogia de uma câmara fotográfica com o olho. Em ambos temos um sistema de lentes, que foca a imagem de um objeto sobre uma região específica, no caso dos olhos, a retina, na câmara, o filme. Como na câmara, a imagem no olho forma-se invertida, o cérebro corrige e interpreta a informação como se a imagem estivesse na posição original.

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olho cristalino

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Anatomia do Olho Íris

Pupila

Córnea Humor aquoso

Zônula

Câmara posterior Músculo ciliar Cristalino Coróide Esclerótica Humor vítreo Retina

Fóvea Disco ótico Nervo ótico e vasos retinais

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Índice de Refração do Olho Ar (n=1,0)

Íris

Pupila

Córnea (n=1,38) Humor aquoso (n=1,33)

Zônula

Câmara posterior Músculo ciliar Cristalino (n=1,40) Coróide Esclerótica Humor vítreo (n=1,34) Retina

Fóvea Disco ótico Nervo ótico e vasos retinais

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Mecanismo de Acomodação 1) Menor refração (músculo ciliar relaxado)

O olho é capaz de aumentar o poder de refração do cristalino, de 20 para até 34 dioptrias em crianças e jovens. Para isso o cristalino modifica sua forma, de ligeiramente convexa, para uma forma com alta convexidade. Nos jovens, o cristalino é formado por uma cápsula elástica, repleta de fibras viscosas, de origem protéica e transparente. Quando o cristalino está relaxado, o mesmo assume forma quase esférica, devido à elasticidade da cápsula do cristalino (figura 2), com maior poder de refração. wfdaj.sites.uol.com.br

Córnea Humor aquoso

2) Maior refração (músculo ciliar contraído) Íris Músculo ciliar

Cristalino

Zônulas

Humor vítreo

A contração do músculo ciliar leva as inserções periféricas dos ligamentos do cristalino a tracionarem para frente, relaxando um pouco a tensão sobre o cristalino. Há uma redução do diâmetro do círculo das fixações de ligamento, permitindo uma menor tensão sobre o cristalino (figura 2).

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Mecanismo de Acomodação 1) Menor refração (músculo ciliar relaxado)

Assim, quando ocorre a contração das fibras musculares lisas no músculo ciliar, o mesmo relaxa os ligamentos da cápsula do cristalino, que toma uma forma mais esférica, aumentando o poder dióptrico do cristalino (figura 2). Com o músculo ciliar relaxado, o poder dióptrico do cristalino é mínimo (figura 1). Resumindo, músculo ciliar contraído, máximo poder de refração, o olho está acomodado. Com o músculo ciliar relaxado, o cristalino é tensionado, diminuindo o poder de refração do cristalino.

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Córnea Humor aquoso

2) Maior refração (músculo ciliar contraído) Íris Músculo ciliar

Cristalino

Zônulas

Humor vítreo

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Miopia e Hipermetropia A) Emetropia O olho normal, ou emétrope, é mostrado na figura A. No olho normal objetos situados à distância são focalizados sobre a retina. No olho míope, a imagem é formada antes da retina, como mostrado na figura B. Na maioria das vezes, um globo ocular mais longo é a causa da miopia, ou, em outras vezes, o poder de refração muito grande do sistema de lentes do olho é a causa. No olho com hipermetropia a imagem é formada após a retina, como destacado na figura C. A hipermetropia é em geral devida a um globo ocular mais curto, ou, algumas vezes, devida a um poder de refração menor do sistema de lentes do olho, quando o músculo ciliar está relaxado.

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B) Miopia

C) Hipermetropia

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Correção da Miopia A correção da miopia se faz com a colocação de lentes côncavas, que leva a imagem a se formar mais longe. Com o poder de refração adequado, a imagem se formará sobre a retina. Para determinar o grau adequado da lente côncova o procedimento de tentativa e erro e adotado, até determinar-se a lente que coloca a imagem formando-se sobre a retina.

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Correção da Hipermetropia A correção da hipermetropia se faz com a colocação de lentes convexas, que leva a imagem a se formar mais perto. Com o poder de refração adequado, a imagem se formará sobre a retina. Para determinar o grau adequado da lente convexa o procedimento de tentativa e erro e também é adotado.

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Astigmatismo O astigmatismo ocorre quando a córnea apresenta um formato oblongo, ou, mais raramente, o cristalino apresenta tal formato. O cristalino de um olho astigmático apresenta um formato da parede lateral de um ovo deitado. Para corrigir essa anomalia é necessário o uso de lentes cilíndricas. Tais lentes tem a capacidade de mudar a distância focal do olho, na direção onde o raio de curvatura da córnea difere de suas demais partes. Uma forma de saber se uma pessoa tem astigmatismo é olhando para a figura abaixo sem óculos. Veja se consegue ver nitidamente todas as linhas.

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Correção do Astigmatismo Você pode ver se uma pessoa que usa óculos tem astigmatismo. Coloque a lente dos óculos sobre palavras de um livro, por exemplo, e gire a lente. Se as palavras sofrerem deformação a pessoa tem astigmatismo. Se não ficar evidente realize um desenho parecido com o da figura ao lado.

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Correção do Astigmatismo No procedimento experimental abaixo, vemos que a imagem formada pela vela aparece alongada no anteparo. Observe as situações mostradas nas figuras (b) e (c). O copo, funcionando como uma lente cilíndrica, faz com que os raios de luz que o atravessam convirjam na direção paralela ao eixo do copo, mostrando portanto, uma imagem alongada. a) b) c)

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Moscas Volantes Íris

Pupila

Córnea Humor aquoso

São manchas ou pontos escuros no campo de visão. Em geral, são pequenas opacidades dentro de uma gelatina que temos dentro do olho, chamada humor vítreo. O vítreo preenche toda a cavidade posterior do globo ocular. Embora esses corpos flutuantes pareçam estar na frente do olho, eles estão realmente flutuando dentro da gelatina e a sombra deles é projetada sobre a retina, conforme a movimentação dos olhos.

Zônula

Câmara posterior Músculo ciliar Cristalino Coróide Esclerótica Humor vítreo Retina

Fóvea Disco ótico

Fonte: http://www.portaldaretina.com.br/ilusoes/index.asp Nervo ótico e vasos retinais

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Causas das Moscas Volantes Íris

Pupila

Córnea Humor aquoso

São causadas por alterações que ocorrem no vítreo, o gel que preenche o olho, em decorrência da idade ou doenças oculares. Geralmente é acompanhado por um encolhimento ou condensação, chamado de descolamento do vítreo posterior, sendo essa uma causa bastante comum de moscas volantes. Elas podem resultar também de inflamações dentro dos olhos ou por depósitos de cristais que se depositam na gelatina do vítreo.

Zônula

Câmara posterior Músculo ciliar Cristalino Coróide Esclerótica Humor vítreo Retina

Fóvea Disco ótico

Fonte: http://www.portaldaretina.com.br/ilusoes/index.asp Nervo ótico e vasos retinais

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Ilusão de Ótica As ilusões de ótica indicam uma segmentação entre a percepção de algo e da concepção desta outra realidade, a ordem de percepção não influencia a compreensão de algumas imagens. Principalmente nos últimos 20 anos, os cientistas mostraram um progresso na área óptica. As ilusões causam surpresa quando são percebidas de formas diferentes e até um certo tipo de divertimento. As ondas de luz penetram no olho então entram em celas de foto receptivas na retina. A imagem formada na retina é plana, contudo, percebemos forma, cor, profundidade e movimento. Isso ocorre porque nossas imagens de retina, se em uma imagem 2D ou 3D, são representações planas em uma superfície encurvada. Para qualquer determinada imagem na retina, há uma variedade infinita de possíveis estruturas tridimensionais.

Fonte: http://www.portaldaretina.com.br/ilusoes/index.asp

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Ilusão de Ótica Algumas ilusões trabalham exatamente no fato de sermos juntamente com os macacos os únicos seres que percebem a noção de largura, altura e profundidade; uma das explicações para este fato é que temos os olhos na frente da cabeça e não dos lados como na maioria dos animais. A percepção que uma pessoa tem do mundo exterior de seu olho não depende apenas do órgão da visão, mas também de suas emoções, seus motivos, suas adaptações, etc. A Psicofísica estuda estas percepções e mostra que o mesmo estímulo físico pode produzir percepções muito variadas.

Fonte: http://www.portaldaretina.com.br/ilusoes/index.asp

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Tipos de Ilusão de Ótica Ambíguas As imagens ambíguas, sempre contém mais de uma cena na mesma imagem. Seu sistema visual interpreta a imagem em mais de um modo. Embora a imagem em sua retina permaneça constante, você nunca vê uma mistura estranha das duas percepções sempre é uma ou a outra. A ilusão do vaso Rubim é uma ambígua ilusão figura/fundo. Isto porque podem ser percebida duas faces brancas olhando uma para a outra, num fundo preto ou um vaso preto num fundo branco. wfdaj.sites.uol.com.br

Fonte: http://www.portaldaretina.com.br/ilusoes/index.asp

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Tipos de Ilusão de Ótica Escondidas São imagens que a primeira vista não apresentam nenhum significado, mas depois de observar você irá se surpreender. Na figura ao lado focalize seu olhar no pontinho preto no centro do círculo... Agora movimente-se para frente e para trás... (ainda olhando para o pontinho).

Fonte: http://www.portaldaretina.com.br/ilusoes/index.asp

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Tipos de Ilusão de Ótica Letras Nossos olhos realmente nos enganam, aqui você descobrirá várias formas e tipos de letras que enganam nossa vista. Olhe abaixo e diga as CORES, não as palavras... Conflito no cérebro: o lado direito do seu cérebro tenta dizer a cor, enquanto o lado esquerdo insiste em ler a palavra.

Fonte: http://www.portaldaretina.com.br/ilusoes/index.asp

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Tipos de Ilusão de Ótica Arte São obras publicadas de artistas consagrados com maravilhosas ilusões de óptica. Preste atenção: nesta imagem existem 9 pessoas. Tente encontrálas...

Fonte: http://www.portaldaretina.com.br/ilusoes/index.asp

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Tipos de Ilusão de Ótica Arte O enigmático sorriso da Monalisa, de Leonardo da Vinci, é "uma ilusão que aparece e desaparece devido à maneira peculiar como o olho humano processa as imagens", de acordo com uma pesquisa sobre os mecanismos da visão da neurobióloga Margaret Livingstone. Dentro do Congresso Europeu de Percepção Visual (ECVP 2005) a pesquisadora argumentou que quando no século XVI Leonardo Da Vinci pintou a Monalisa conseguiu um efeito pelo qual o sorriso desaparece quando o quadro é visto diretamente e só reaparece quando a vista é fixada em outras partes do quadro.

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Estrutura da Retina As células sensíveis à luz localizam-se na camada mais interna da retina, a luz incidente nas células fotorreceptoras atravessam diversas camadas, antes de sensibilizá-las. Tal arranjo pode parecer ineficiente, contudo a perda da energia luminosa é mínima, devido a baixa absorção luminosa das camadas que antecedem às células fotorreceptoras.

Fonte: http://www.diptech.com.br/seminars/visao/monografia/visao_monografia.htm

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Estrutura da Retina Seção da retina Camada pigmentar Camada de cones e bastonetes Camada nuclear externa Camada plexiforme externa

Luz

Camada nuclear interna

Após atravessar o sistema de lentes do olho e o humor vítreo, a luz atinge a retina na sua superfície interna, atravessando diversas estruturas, tais como, as células ganglionares, as camadas plexiformes e nucleares, até atingir a camada dos bastonetes e cones. wfdaj.sites.uol.com.br

Camada plexiforme interna Camada de células gaglionares Camada da fibra nervosa

Luz

Estrutura da Retina Seção da retina Camada pigmentar Camada de cones e bastonetes Camada nuclear externa Camada plexiforme externa

Luz

Camada nuclear interna

A acuidade visual é reduzida, pois o sinal luminoso tem que atravessar um sistema de camadas, antes de chegar nas células fotossensíveis. Os cones são responsáveis pela visão de cores e os bastonetes são responsáveis, principalmente, pela visão no escuro. wfdaj.sites.uol.com.br

Camada plexiforme interna Camada de células gaglionares Camada da fibra nervosa

Luz

Estrutura da Retina Seção da retina Camada pigmentar Camada de cones e bastonetes Camada nuclear externa Camada plexiforme externa

Luz

Camada nuclear interna

Na região central da retina, (região foveal), as camadas iniciais são afastadas lateralmente, evitando parte da perda da acuidade visual. A camada pigmentar contém melanina, que tem função similar ao interior negro das câmaras fotográficas. wfdaj.sites.uol.com.br

Camada plexiforme interna Camada de células gaglionares Camada da fibra nervosa

Luz

Mácula e Fóvea No centro da retina temos uma região denominada mácula, que apresenta uma área inferior a 1 mm2. Na região central da mácula destaca-se uma região ocupada só por cones, tais cones apresentam uma estrutura especial, que auxilia no registro de imagens. Sua estrutura com corpo delgado, diferentemente dos restantes dos cones, que são maiores e localizados na periferia da retina. A região da fóvea humana tem uma área de aproximadamente 0,13 mm2 e 160 mil células fotorreceptoras por milimetro quadrado. O falcão apresenta aproximadamente 1 milhão de fotorreceptores, numa mesma área, o que aumenta a sua acuidade visual. wfdaj.sites.uol.com.br

Região mácula com a fóvea no centro. As imagens obtidas com tomografia de coerência óptica (OCT – Optical Coherence Tomography), com diferentes resoluções. Fonte: http://www.universovisual.com.br/publisher/preview.php? edicao=1005&id_mat=894

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Fotorreceptores A retina apresenta dois tipos de fotorreceptores: os cones e os bastonetes. Os cones são encontrados em maior concentração na fovea centralis e são responsáveis pela visão detalhada, precisa e colorida. Os bastonetes são encontrados em toda a retina periférica, sendo receptores muito sensíveis à luz, por isso, deles depende a visão em baixa intensidade luminosa. Os bastonetes possuem um pigmento fotossensível chamado rodopsina. O cromóforo da rodopsina é o 11-cis-retinal (Vitamina A). Esse cromóforo liga-se à opsina para formar o complexo binário rodopsina. Os fotopigmentos existentes nos cones são chamados de iodopsinas. Os cones possuem iodopsinas, que combinadas com o retinal formam três pigmentos distintos: Um sensível ao azul, outro ao verde e outro ao vermelho. Assim temos cones sensíveis a cada umas destas cores.

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Bastonete e Cone A) Bastonete

B) Cone

Discos

Na figura ao lado temos um diagrama do bastonete e do cone. Os bastonetes são geralmente mais longos e estreitos que os cones, apresentam diâmetro entre 2 a 5 µ m, enquanto os cones apresentam diâmetro variando de 5 a 8 µ , com exceção da região foveal, onde os cones apresentam diâmetro de 1,5 µ m. No segmento externo do bastonete e cone está localizada a substância sensível à luz. Para o bastonete é a rodopsina, e para o cone a iodopsina. Observa-se a presença de diversos discos nas estruturas de ambas células, tais discos nos cones são invaginações na membrana celular. wfdaj.sites.uol.com.br

Segmento externo

Espaço Citoplasmático Membrana Plasmática

Segmento externo

Cílio Mitocôndrias Segmento interno

Segmento interno Núcleo

Terminal sináptico

Vesículas sinápticas

Terminal sináptico

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Bastonete e Cone A) Bastonete

B) Cone

Discos

O terminal sináptico, mostrado no diagrama ao lado, é responsável pela comunicação com as células neuronais subseqüentes, chamadas células horizontais e bipolares. Essas células representam os estágios seguintes da visão.

Segmento externo

Espaço Citoplasmático Membrana Plasmática

Segmento externo

Cílio Mitocôndrias Segmento interno

Segmento interno Núcleo

Terminal sináptico

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Vesículas sinápticas

Terminal sináptico

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Excitação dos Fotorreceptores Na escuridão, a membrana dos bastonetes apresenta canais iônicos abertos, permitindo a passagens de íons. É possível detectar um corrente elétrica (I) entre os dois segmentos do bastonete (corrente de escuro). O influxo iônico poder ser devido aos íons de Na+(em 90% dos casos), ou aos íons de Ca++ (em 10% dos casos). A corrente de escuro (I) mantém o bastonete despolarizado (-40 mV), liberando um neurotransmissor, muito provavelmente glutamato, no nível de células bipolares e horizontais.

Segmento externo

Segmento interno

Terminal sináptico Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Savier, 2000 (pg. 269).

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Editora

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Decomposição da Rodopsina Uma molécula de rodopsina consiste de uma proteína, chamada opsina, e de um grupo prostético, que absorve a luz, o 11-cis-retinal. A rodopsina é uma proteína transmembrana do bastonete. A absorção do fóton pelo 11-cis-retinal modifica sua estrutura tridimensional, resultando no isômero, todo-trans-retinal. Tal mudança acarreta uma variação conformacional na estrutura da opsina, indicando que houve absorção da energia luminosa.

Fonte: http://www.scienceofspectroscopy.info/

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Decomposição da Rodopsina

Fonte: Purves et al., Vida A ciência da Biologia. 6a. Ed. Artmed editora, 2002 (pg. 805).

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Decomposição da Rodopsina

Rodopsina + luz

Prelumirrodopsina

Lumirrodopsina

Metarrodopsina I

Metarrodopsina II

Retinal + Opsina

Fonte: http://www.scienceofspectroscopy.info/

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Absorção da Luz pela Rodopsina 1. Um fóton ativa um elétron no 11-cis-retinal, levando à formação da metarrodopsina II, a forma ativa da rodopsina. 2. A metarrodopsina II ativa várias moléculas de transducina, um tipo de proteína G. 3. A transducina, na forma ativa, atua ativando várias moléculas de fosfodiesterase. 4. A fosfodiesterase (PDE) ativada catalisa a hidrólise de GMPc (monofosfato cíclico de guanosina), formando 5’-GMP. A diminuição da concentração de GMPc leva ao fechamento dos canais de Na+ e Ca++ da membrana celular dos bastonetes. O GMPc, antes de ser hidrolisado, estava ligado aos canais de Na+ e Ca++ , o que deixava os canais abertos, permitindo o influxo de Ca++ e Na+, em condições de escuridão. A hidrólise de GMPc provoca o fechamento dos canais de Na+ e Ca++ . Com o fechamento desses canais iônicos a membrana hiperpolariza. A diminuição do potencial de membrana inibe a formação de glutamato, passando a informação da excitação luminosa para as células bipolares e horinzontais. 5. Em seguida, a rodopsina quinase inativa a metarrodopsina II, e toda a cascata volta ao estado normal (escuridão), com os canais de Na+ abertos. wfdaj.sites.uol.com.br

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Absorção da Luz pela Rodopsina

Fonte: Purves et al., Vida A ciência da Biologia. 6a. Ed. Artmed editora, 2002 (pg. 806).

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Absorção da Luz pela Rodopsina

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Absorção da Luz pela Rodopsina

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Estrutura do Cone A figura ao lado mostra um diagrama esquemático de um cone, destacandose os discos do segmento externo e, em seguida, sucessivas ampliações, indicando como as proteínas iodopsinas estão inseridas na estrutura do cone. As iodopsinas são proteínas trasnsmembranas, como as rodopsinas, sendo que existem três tipos de iodopsina, uma para a cor vemelha, outra para o verde e uma para o azul. Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000 (pg. 268).

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Sensibilidade às Cores

Fonte: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/colcon.html#c1

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Trabalho 1) Faça um diagrama esquemático do olho humano, indicando os seus principais componentes. 2) Descreva o processo de acomodação do cristalino. 3) Descreva a absorção da luz pelo bastonete.

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Referências PURVES, W. K., SADAVA, D., ORIANS, G. H. HELLER, H. G. Vida. A Ciência da Biologia, 6a ed. Artmed editora.2002. GARCIA, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000.

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