BIOFIZICĂ MEDICALĂ

Biofizica medicală cuprinde studiul şi aplicarea legilor fizicii în biologie şi medicină.

Biofizica ^ fenomenele fizice implicate în funcţionarea sistemelor biologice, fiind o ştiinţă care

utilizează tehnici şi concepte fizico-chimice pentru cercetarea fenomenelor lumii vii.

Biofizica foloseşte aproape toate domeniile clasice şi moderne ale fizicii:

- Biomecanica ^ diferitele tipuri de locomoţie animală până la motilitatea celulară

- Bioelectricitatea ^ ansamblul fenomenelor electrice din lumea vie, la nivel celular,

tisular şi de organ

- Biotermodinamica şi bioenergetica ^ generarea, stocarea, conversia energiei la nivel

celular şi problemele energetice ale sistemelor biologice la nivel supraindividual

- Biocibernetica ^ mecanismele reglării şi transmiterii de informaţii în sistemele biologice

- Radiobiologia ^ fenomenele ce au loc la interacţiunea radiaţiei cu

materia vie Fenomenele fizice stau la baza funcţionării mecanismelor

biologice

I. BIOFIZICA MOLECULARĂ

Materia este compusă din particule distincte numite atomi. Molecula reprezintă

particula cea mai mică a oricărui corp, ce are însuşirile caracteristice ale substanţei respective.

În cadrul biofizicii moleculare se studiază fenomene termice, mecanice, de energie

superficială, de atracţie intermoleculară, etc.

a) Mişcarea Browniană

Mişcarea browniană (numită după botanistul Robert Brown) este o mişcare spontană,

complet haotică şi dependentă de temperatura mediului, a unor particule aflate într-o

suspensie coioidală sau dispersie gazoasă .

Moleculele lichidului aflate în permanentă mişcare, ciocnindu-se de o particulă solidă, îi

transmit acesteia o cantitate de mişcare oarecare. Dacă particula aflată în suspensie în lichid are

dimensiuni mari, numărul moleculelor de lichid care acţionează asupra ei din toate direcţiile este

de asemenea mare, atunci şi acţiunea lor se compensează practic menţinînd corpul într-o stare de

nemişcare aparentă.

Dacă particula este mică, echilibrul nu se mai realizează, astfel particula este pusă în

mişcare. Deci mişcarea browniană are loc sub influenţa mişcărilor dezordonate ale moleculelor

lichidului.

Caracteristica principală a mişcării browniene este neregularitatea.

Mişcarea browniană este condiţionată de energia cinetică a particulelor, viteza lor fiind

micşorată faţă de cea a moleculelor libere, din cauză că particulele în mişcare browniană sunt de

milioane de ori mai mari decît moleculele obişnuite.

b) Coeziunea

Moleculele aceluiaşi corp se atrag între ele în virtutea unei forţe numită coeziune. În

toate stările de agregare moleculele exercită unele faţă de altele această forţă de atracţie.

Conform legilor atracţiei electrostatice orice stările de agregare a materiei sunt datorită

distanţei dintre molecule.

Asfel :

- substanţele solide avînd distanţa dintre molecule mai mică au forţa de

coeziune mai mare

- la substanţele lichide distanţa intramoleculară este mai mare, deci forţa de

coeziune este mai mică

- gazele au moleculele foarte îndepărtate deci coeziunea este foarte mică

Datorită dependenţei stării de agregare de distanţa dintre molecule, se poate folosi în

practică, de ex. pentru a avea CO2 lichid se comprimă CO2 gazos la 70 atmosfere deci se

micşorează de 70 ori distanţa dintre molecule mărindu-se coeziunea iar substanţa gazoasă devine

lichidă.

Distanţa pînă la care se poate exercita coeziunea este limitată de raza acţiunii

moleculare numită sfera de acţiune moleculară.

c) Adeziunea

Adeziunea este forţa care ia naştere între moleculele superficiale a două corpuri diferite

puse în contact.

La contactul între un corp solid şi unul lichid cel mai des este cazul cînd lichidul udă

solidul (apă - sticlă). O picătură de apă rămîne de ex. lipită de sticlă deşi greutatea ei ar trebui să

o facă să se rostogolească şi să cadă. În acest caz forţa de adeziune este mai mare ca forţa de

coeziune, pentru că adeziunea a împiedicat menţinerea corpului lichid în forma iniţială şi a

produs despărţirea unor picături din masa lichidului. O picătură de apă pe o sticlă nu rămîne

sferică ci se turteşte, fiindcă moleculele plăcii atrag puternic pe cele ale apei.

În cazul lichidelor în care coeziunea dintre molecule este mai puternică (ex. mercurul),

atunci lichidul respectiv nu mai udă sticla, adeziunea dintre mercur şi sticlă fiind mică.

Un alt caz de adeziune este cel al lichidelor în vase. Observînd apa dintr-un vas, se

constată că suprafaţa ei este un plan orizontal, dar în apropiere de pereţii vasului apa se ridică

datorită faptului că un strat de molecule aderă la sticlă, prin coeziune acest strat atrage altul, şi în

continuare.

Dacă în vas se află mercur adeziunea nu predomină, iar coeziunea dă formă concavă

suprafeţei.

d) Tensiunea superficială a lichidelor din organism

Suprafaţa de separare dintre două medii are caracterul unei membrane elastice.

Lichidele din organism fiind în general soluţii apoase, au o tensiune superficială mai

mică decît a apei curate. Suprafaţa lichidelor organice din celulele şi capilarele corpului este

foarte mare faţă de volumul lor. Proteinele trebuie deci să fie concentrate la suprafaţa acestor

lichide în straturi monomoleculare, al căror rol are o importanţă deosebită pentru schimbul de

substanţe.

e) Capilaritatea

Este fenomenul de ridicare în tuburi capilare a nivelului lichidului care udă vasul şi de

coborîre a acestui nivel la lichidele care nu udă pereţii vasului. Capilarele sunt tuburile care au

lumenul mai mic de 1mm.

În vasele comunicante cu un diametru destul de mare, lichidele au acelaşi nivel. Dacă

unul din vasele comunicante are dimensiuni capilare, atunci lichidul care udă vasul se urcă în

capilare mai mult ca în vasul cu diametrul mare.

În biologie şi medicină, capilaritatea este aplicată în fenomenele de pătrundere a

lichidelor prin corpurile poroase, porii fiind ca nişte canale capilare care favorizează adeziunea

lichidelor.

Ex. emboliile gazoase: într-un capilar coloana de lichid este greu pusă în mişcare chiar

exercitîndu-se asupra ei o presiune, dacă din loc în loc este întreruptă de mici cantităţi de gaz

numite embolii gazoase. Asfel prezenţa aerului sau azotului în vasele capilare opreşte circulaţia

din ele. Acest fel de embolii se produc de ex. cînd se deschid venele gîtului unde presiunea

sanvină este inferioară celei atmosferice şi aerul este absorbit în vasele sangvine.

f) Vîscozitatea

Lichidul în mişcare este compus din mai multe straturi care prin mişcarea lor determină

o frecare interioară care constituie vîscozitatea.

Vîscozitatea este o proprietate generală a fluidelor şi depinde de temperatură ( la

temperatură scăzută vîscozitatea creşte).

Vîscozitatea sîngelui

La temperatură normală vîscozitatea este 3,8-5,5. Sîngele fiind o suspensie, vîscozitatea

este cea a sistemelor heterogene, iar creşterea ei depinde de volumul total al particulelor.

Astfel prezenţa unei cantităţi crescute de CO2 în sînge are ca efect umflarea

celulelorsangvine deci mărirea volumului lor total în consecinţă creşterea vîscozităţii. De aceea

sîngele venos este mai vîscos decît cel arterial. Vîscozitatea mai creşte în : HTA, consum de

alcool, oboseală, etc.

g) Difuziunea

Difuziunea este fenomenul de pătrundere a moleculelor unei substaţe printre moleculele

alteia. Este caracteristică gazelor, lichidelor şi solidelor.

Difuziunea gazelor

Experiment : umplînd un vas aşezat cu gura în sus cu CO2 şi aşezînd deasupra cu gura

în jos un vas la fel de mare umplut cu H, cele două gaze deşi au densităţi diferite, difuzează şi se

amestecă, H trecînd jos şi CO2 urcînd sus (deşi CO2 este de 22 ori mai greu decît H). Cauza

acestei difuziuni este mişcarea moleculară a celor două gaze.

Viteza de difuziune variază cu natura, presiunea şi temperatura gazelor.

Difuziunea gazelor în organism se face cu o viteză proporţională cu coeficientul de

solubilitate al gazului în lamela lichidă prin care traversează.

La temperatura corpului omenesc se obţin următoarele valori: N =1, O=1,7, CO2 = 42.

În cazul scimburilor respiratorii se observă că presiunea oxigenului descreşte astfel: în

atmosferă 152 torri, în alveole 99,8 torri, în artere 91 torri, şi în ţesuturi aproape 0. Deci oxigenul

va pătrunde din atmosferă în alveole, apoi în sîngele venos şi va difuza în ţesuturi unde va

întreţine combustiile intratisulare.

În cazul CO2 presiunea lui parţială se micşorează de la ţesuturi 53-76 torri, la sîngele

venos 41 torri, la aerul alveolar 40 torri, şi la aerul atmosferic unde presiunea este aproape 0.

deci acest gaz va difuza cu uşurinţă de la ţesuturi spre atmosferă.

Difuziunea lichidelor

Experiment : într-un pahar cilindric cu apă distilată se introduce cu ajutorul unei pipete

pe fundul paharului, o soluţie concentrată de sulfat de cupru ( CuSO4) : soluţia se aşează pe

fundul paharului deplasînd în sus apa distilată. Lichidul din pahar este alcătuit din două straturi

separate, iar prin mişcarea paharului suprafaţa de separare se ondulează ca şi cînd ar exista o

membrană separatoare. Lăsînd paharul acoperit se observă că după cîteva ore dispare membrana

de separaţie, iar după cîteva zile va fi o soluţie uniformă în tot paharul. În acest experiment

soluţia de CuSO4 a difuzat în apa distilată.

Legile difuziunii lichidelor:

- viteza de difuziune variază cu natura substanţei care difuzează

- viteza variază cu starea cristaloidă sau coloidă a substanţei

- cantitatea de substanţă care difuzează în unitatea de timp depinde de concentraţia

soluţiei examinate

- cantitatea de substanţă care difuzeză creşte cu temperatura

h)Osmoza

Difuziunea lichidelor printr-o membrană se numeşte osmoză, şi se produce cînd cele

două lichide udă membrana de fiecare parte.

Membranele prin care are loc difuziunea se clasifică în :

- membrane permeabile cu rol de barieră, care opun o rezistenţă, dar permit trecerea

apei, electroliţilor şi a unor molecule

- membrane semipermeabile care în general sunt permeabile doar pentru apă, şi pot fi :

biologice sau artificiale, organice sau anorganice

- membrane selective care permit trecerea numai anumitor substanţe

Aparatul cu care se determină osmoza se numeşte osmometru şi este format dintr-un

vas de sticlă al cărui fund este o membrană animală (vezică), iar în partea de sus se continuă cu

un tub de sticlă.

Osmometrul se umple cu apă în care s-a dizolvat de ex. o cantitate de zahăr, şi se aşează

vertical într-un cristalizator cu apă distilată. După un timp nivelul lichidului se urcă în tubul

osmometrului şi la un moment dat se opreşte. Urcarea apei din cristalizator în osmometru se face

cu ajutorul unei forţe care învinge forţa gravitaţiei şi care se numeşte presiune osmotică.

Fenomenul se desfăţoară în două etape:

- un curent de lichid din cristalizator pătrunde în osmometru = endosmoză

- după un timp un curent de soluţie de zahăr iese din osmometru şi intră în cristalizator

= exosmoză.

Deci osmoza constă în trecerea solventului printr-o membrană semipermeabilă care

separă două medii cu concentraţii diferite şi are loc dinspre soluţii diluate spre soluţii

concentrate pînă la echilibrarea celor două soluţii.

Importanţa biologică a osmozei

Osmoza intervine în multe procese fiziologice care au loc în interiorul plantelor şi

animalelor, jucând un rol important în schimbările dintre organisme şi mediul lor de viaţă,

între celulele şi mediul extracelular.

OBS.

Ocelulă introdusă într-o soluţie izotonică nu va suferi nici o modificare a volumului,

deoarece nu se produce nici un schimb de substanţă între soluţie şi citoplasmă.

- Turgescenţa reprezintă fenomenul de mărire a volumului unei celule prin

pătrunderea apei în interiorul ei (endosmoză).

- Atunci când celulele se găsesc într-o soluţie hipotonică, apa intră în celulă

căutând să dilueze conţinutul ei.

- Fenomenul invers, de micşorare a volumului unei celule prin ieşirea apei,

atunci când se găseşte într-o soluţie hipertonă se numeşte plasmoliză.

Hemoliza:

- Dacă celula este o hematie şi se introduce într-o soluţie hipotonică, ea se va

umfla

datorită pătrunderii apei, însă doar până la o anumită limită, când se va rupe şi în

consecinţă va elibera hemoglobina trecând în lichidul de suspensie.

- Fenomenul de rupere a hematiei se numeşte hemoliză iar volumul la care

se rupe hematia se numeşte volum critic de hemoliză.

- În final celula moare, iar fenomenul se numeşte citoliză.

OBS.

Izotonia este o condiţie importantă de care trebuie să se ţină cont atunci când se

introduc cantităţi de lichid în sânge, fie în scop curativ (prin injecţii intravenoase), fie în

cazul conservării sângelui. Pentru a nu se modifica echilibrul osmotic al serului sanguin,

soluţiile injectate trebuie să aibă aceeaşi presiune osmotică.

La animale, ca urmare a existenţei substanţelor coloidale (substanţe cu diametrul 1 -

100 m m) apare o presiune coloid osmotică (oncotică).

- Formarea edemelor în stările patologice se explică prin dereglarea

presiunii coloid osmotice.

- Membranele animale nu sunt perfect semipermeabile, deoarece lasă să treacă

şi

substanţele cristaloide dizolvate, dar nu lasă să treacă suspensiile coloidale. Această însuşire

permite separarea substanţelor sub formă coloidă de cele cristaloide, proces ce se numeşte

dializă.

Soluţia cu amestecul de coloizi şi cristaloizi se introduce în vasul prevăzut cu

membrană. Cristaloizii difuzează în curentul de apă curată, în timp ce coloidul este reţinut.

II. BIOFIZICĂ CELULARĂ

Membrane biologice

Membranele biologice se definesc ca fiind ansambluri compuse din proteine şi lipide

care formează structuri continue bidimensionale, cu proprietăţi caracteristice de permeabilitate

selectivă, prin care se realizează compartimentarea materiei vii.

ya

üiüi!

-----i: yt

Realizarea dializei

I. Structură şi proprietăţi:

Funcţiile pe care le îndeplineşte membrana sunt următoarele:

- delimitează celula (organitele celulare) de mediul exterior;

- prezintă permeabilitate specifică pentru ioni şi unele macromolecule;

- constituie locul unor reacţii enzimatice.

II. Compoziţia biochimică a membranelor biologice

Principalele componente ale membranelor biologice sunt:

- proteinele (60-80 %) conferă funcţionalitatea membranei. Ele intervin în

transportul activ, îndeplinesc funcţii enzimatice sau de receptori.

- lipidele (40-20 %) (resturile glucidice sunt întotdeauna ataşate proteinelor

sau lipidelor) asigură funcţia de barieră a membranelor.

- alte componente minore (ioni, apă, transportori) (insuficient studiate

cantitativ).

III. Caracteristicile fizice ale membranelor biologice

Fluiditatea membranelor^ mobilitatea lor.

Transportul prin membranele biologice

Transportul pasiv:

- Difuziunea simplă prin bistratul lipidic: un exemplu de difuziune simplă prin

bistratul lipidic este pătrunderea substanţelor liposolubile conform coeficientului de partiţie între

ulei şi apă(cu cât coeficientul de partiţie are valoare mai mare, cu atât substanţa este mai

liposolubilă şi pătrunde mai repede în celule)

- Difuziunea simplă mediată de polipeptide: un exemplu îl constituie

transportul ionilor prin polipeptide produse de microorganisme care sunt numite ionofori.

Ionoforii produşi de microorganisme sunt antibiotice (împiedică dezvoltarea altor

microorganisme). Ele sunt arme de apărare ale unor microorganisme împotriva altora

- Difuzia facilitată: se produce de la o concentraţie mai mare la una mai mică şi

se opreşte în momentul egalizării concentraţiilor de cele două părţi ale membranei, dar

substanţele trec mult mai rapid (de aproximativ 100.000 de ori), decât ar fi de aşteptat pentru

dimensiunea şi solubilitatea lor în lipide.

Transportul activ

Transportul activ se realizează cu consum de energie, de la o concentraţie mică spre o

concentraţie mare.

Ex : Pompa de Na+ şi K+ se află în plasmalema tuturor celulelor animale şi este

responsabilă

de:

- menţinerea potenţialului de membrană

- controlul volumului

- „întreţinerea” transportului activ al aminoacizilor şi glucidelor.

- reglează volumul celular

OBS.

Peste o treime din necesarul de energie al celulei este consumat de această pompă, iar în

celulele nervoase, care trebuie să-şi refacă potenţialul de membrană după depolarizarea ce se

produce la excitarea lor, se ajunge ca până la 70 % din consumul energetic să revină pompei.