BIOFIZICA (curs 1)

Cunoasterea umana poate fi structurata asemenea unei pirmanide: la baza piramidei ca stiinta fundamentala a cunoasterii se afla matematica. Ca stiinta, matematica poate caracteriza inteligenta umana ilustrand capacitatea de abstractizare a fiintelor rationale. Deasupra matematicii ca stiinta a masurarii si observarii naturii se gaseste fizica. Deasupra fizicii se gaseste chimia ca stiinta a combinarii elementelor naturale iar deasupra chimiei se regaseste biologia ca stiinta a vietii.

Se poate observa din aceasta structura ca fiecare dintre treptele inferioare constituie suport , baza si instrument de lucru pentru fiecare dintre stiintele enumerate. Abordarea sistematica a studiului fizicii presupune identificarea relatiilor existente intre diferite rezultate ale unor masuratori efectuate asupra unor marimi si procese masurabile.

Masurarea ca operatiune distincta autonoma poate conduce la doua tipuri fundamentale de rezultate: cantitative(sunt acele rezultatea carora in urma procesului de masurare li se poate asocia in mod direct un simbol numeric alcatuit din cifre cu semnificatie bine stabilita), calitative(sunt acele rezultate carora nu li se poate asocia un simbol distinct find dependente de aprecierea experimentatorului care poate avea un grad variabil de variabilitate).

Fiind prin excelenta o stiinta a experimentului, fizica si-a creat propriul sistem de marimi fiind necesare pentru exprimarea rezultatelor masuratorilor efectuate in cadrul unor experimente.

Se poate observa ca structura sistemului fundamental de unitati de masura se poate asocia cu evolutia istorica si devenirea fiintei umane. Primele marimi care s-au impus ca marimi fundamentale pentru masurarea marimilor fizice au fost: timpul, masa si lungimea.

Acestor marimi fundamentale li s-au atribuit metode de masurare care sa fie reproductibile astfel incat valorile numerice asociate sa fie independente de actiunile diversilor factori perturbatori din mediul in care se efectueaza masuratorile.

In momentul de fata definitiile acceptate pentru unitatile fundamentale ale sistemului international sunt:

1. metrul (m) – un metru este definit ca fiind 1650763,73 lungimi deunda in vid ale radiatiei portocalii ale izotopului 86Kr corespunzator tranzitiei intre nivelelel 2p10 → 5d5. Masurarea se face cu ajutorul unui dispozitiv denumit interferometru optic.

2. masa (kilogramul – kg) – este definita ca fiind masa cilindrului dinaliaj de platina 90% si iridiu 10% cu dimensiunile h= 2r =39 mm pastrat la biroul international de masuri si unitati la Serves (Franta).

3. timp (secunda – s) – este definit ca fiind 9192631770 perioadeasociate tranzitiei intre doua nivele energetice hiperfine ale atomului 133Cs. Masurarea este efectuata prin intermediul ceasului atomic.

Pe masura dezvoltarii procesului cunostintelor umane pentru sistemul international a crescut , la ora actuala existand un numar de 7 unitati fundamentale care pot masura prctic orice marime fizica. Completarile au fost sugerate de cercetatori si observatori din cadrul electricitatii fenomenelor termice, fenomenelor luminoase si cele referitoare la structura materiei.

Astfel: Pentru intensitatea curentului electric a fost definita unitatea de masura

AMPER ca fiind intensitatea unui curent electric care mentinut intre doua conductoare rectilinii, paralele, de lungime infinita si sectiunea transversala neglijabila, situata in vid la 1 m distanta unul fata de celalalt ar produce intre acestea o forta de 2*107 N pe o lungime de 1 m.

Pentru temperatura ca unitate fundamentala a fost aleasa GRADULKELVIN care este definit ca fiind egal cu o fractiune de 1/273,16 din temperatura termodinamica ale punctuli triplu al apei.

Pentru intensitate luminoasa unitatea este CANDELA(Cd) care estedefnita ca fiind intensitatea luminoasa emisa in directie normala de o suprafata de 1/600000 m2 dintr-un corp negru aflat la temperatura de topire a platinei la presiunea de 101325 N/m2

Pentru cantitatea de substanta se defineste MOLUL ca fiind cantitatea desubstanta dintr-un sistem care contine un numar de entitati elementare egal cu cel al atomilor de carbon din 0,012 kg 12C. Entitatile elementare trebuie sa fie specifice si pot fi: atomi, ioni, molecule, precum si alte particule si grupede particule precizate. Avand in vedere evolutia actuala a cunoasterii se preconizeaza introducerea celei de-a 8-a marimi fundamentale care sa masoare cantitatea de informatii si are ca u.f.m BITUL

Alaturi de unitatile fundamentale sistemul international cuprinde toate unitatile de masura asociate marimilor fizice studiate observate si masurate. Un rol important in intreaga teorie si practica a masurarii revine ecuatiei dimensionale. Tinand cont de marimile alese ca fiind pentru sistemul de unitati dimensiunea [A] a oricarei marimi masurabile de defineste prin relatia:[A] = ma * kgb * sc * Ad * oKe * Cdf * molg

Exponentii a,b,c... poarta denumirea de numere de omogenitate ale untatii derivate.Ecuatia dimensionala are rolul de a indica modul in care o unitate derivata depinde de unitatea fundamentala. [a] – acceleratia[a] – a → 1 b → 0 c → -2 d,e,f,g → 0

BIOFIZICA (curs 2)

Stiintele biologice studiaza natura vie reprezentata prin plante, animale si oameni si relatiile complexe dintre ele. Acesti reprezentanti ai naturii vii au o structura foarte variata.

Functiile vitale se complica si se perfectioneaza progresiv, de la formele simple la cele complexe, ca rezultat al adaptarilor foarte numeroase la conditiile de viata.

Pentru cercetarea si cunoasterea proceselor biologice trebuiecunoscute, in primul rind, structura si insusirile fizico-chimice alemateriei vii. In lumea vie gasim o asociere foarte stransa a proceselor si fenomenelor fizice cu cele chimice.

Biofizica este disciplina care s-a dezvoltat la granita dintre fizica si biologie. Cel mai importatnt persoanj al culturii umane cu lucrari stiintifice in domeniul biofizicii a fost LEONARDO DA VINCI care a studiat zborul pasarilor folosind legile mecanicii. Legatura organica dintre diferitele forme de miscare a materiei a condus la aparitia si fundamentarea stiintelor interdisciplinare (biofizica, biochimia, chimia fizica, etc).O alta caracteristica a stiintelor contemporane este si matematizareaLor, in sensul ca la ora actuala nu exista nicio stiinta sau disciplina stiintifica fara sa fie folosita matematica.BIOFIZICA este stiinta care are ca obisct de studiu structura fizica a sistemelor biologice, proprietatile fizice ale acestor sisteme si fenomenele fizice care stau la baza fenomenelor biologice.Preocuparile cercetatorilor din domeniul biofizicii se pot grupa in 4 directii:

1. Studierea structurii si proprietatilor fizice ale materiei vii2. Studiere fenomenelor fizice prin care se realizeaza procesele

biologice din lumea vie3. Studierea actiunilor factorilor fizici ai meiului asupra organismelor4. Folosirea tehnicilor fizice in abordarea unor probleme biologice.

Prima directie conduce la structurarea biofizicii in urmatoarele domenii de interes:1. Biomecanica studiaza diferitele tipuri de locomotie animala pana la motilitatea

celulara si la proprietatile mecanice ale constituentilor celulari.2. Bioelectricitatea studiaza ansamblul fenomenelor electrice din lumea vie de la

nivel celular, tisular si de organ, fenomene care exprima functionalitatea structurilor respective si constitute baza unui grup important de investigatii clinice.

3. Biotermodinamica si Bioenergetica se ocupa atit de generarea, stocarea siconversia energiei la nivel celular si de organism, cit si de problemele energetice ale marilor sisteme biologice de nivel supraindividual.

4. Biocibernetica studiaza principiile si mecanismele concrete ale comenzii, reglarii,conservarii, prelucrarii si transmiterii de informatii in sistemele biologice.

5. Bionica studiaza structurile si mecanismele din sistemele vii, pentru a gasi solutiiunor problemele tehnice

6. Radiobiologia este un capitol al biofizicii care studiaza interactiunile dintreenergia radianta si materia vie.

Din punct de vedere al clasificarii metodologice se regasesc doua structuri importante : Biofizica moleculara, care studiaza proprietatile fizice ale moleculelor si

fenomenele fizice ce se produc la nivel molecular si supramolecular Biofizica celulara, care studiaza proprietatile fizice ale celulelor si

fenomenele fizice (electrice, mecanice, termice etc.) ce se petrec la nivel celular Biofizica sistemelor complexe, care studiaza aspectele biofizice

incepind de la nivel tisular si de organ si pina la nivelul sistemelor biologice supraindividuale.

Metodele de cercetare utilizate in biofizica sunt:1. observatia – trebuie sa fie riguroasa, sistematica, continua si detaliata

In biofizica se fac observatii atat cu aspect cantitativ ca si calitativ.2. experimentul – permite verificare ideilor prin intermediul faptelor3. metoda matematica – instrument de lucru teoretic utilizat in biofizica pentru:

exprimarea in simboluri numerice a rezultatelor, observare si exprimare prelucrarea datelor obtinute din observare si experimentare gasirea de diferite explicatii pentru diverse fenomene apreciate statistic

4. metoda modelarii – consta in crearea a unor dispozitive a unor modele pe care se studiaza procesele similare cu acelea care se petrec in organismele vii

5. metoda fenomenologica - studiaza fenomenele pornind de la citeva principii fundamentale, rezultate din numeroase experiente, facind abstractie de structura interioara, discreta a materiei.

6. metoda statistica – studiaa fenomenele pornin de la structura interna discreta a materiei utilizate, calculul probabilitatilor si statistica matematica, astfel proprietatile macroscopice masurabile apar ca niste valori medii statistice ale proprietatilor particulelor individuale.

O trasatura caracteristica a corpurilor materiale o reprezinta faptul ca fiecare dintre ele se comporta ca un intreg, ca o unitate fata de corpurile inconjuratoare pastrandu-si individualitatea in timpmai mult sau mai putin individual. Acestea se datoreaza conexiunilor si legaturilor care exista intre partile componente ale fiecarui corp.(ex:Durata de viata a unui electron = 1030 ani; Durata medie de viata a unei fiinte = 7,5 * 102 ani)

Prin sistem fizic se intelege un ansamblu de componente identice sau diferite unite intr-un intreg prin legaturi si interactiuni reciproce. Sistemul fizic este delimitat in spatiu si timp dar componentele sistemului pot interactiona si cu mediul extern inconjurator.

Notiunea de sistem cuprinzand intreaga diversitate a corpurilor din natura permite compararea si intelegerea legilor generale de organizare si functionare a sistemului.

Clasificarea sistemelor fizice se poate face dupa mai multe criterii:1. In functie de structura interna a sistemului se disting doua categorii de sisteme

sisteme omogene – formate din acelasi tip de constituienti si care nu prezinta suprafete macroscopice de separatoe in interiorul sistemului

sisteme eterogene – formate din constituienti diferiti si care prezinta suprafete de separatie macroscopice in exteriorul sistemului

ULEI

APA APA

- sistem omogen - - sistem eterogen –

2. In functie de variatia proprietatile pe diferite directii din sistem: sisteme izotrope – nu prezinta variatii ale proprietatilor in functie de

directie sisteme anizotrope – proprietatile prezinta variatii in raport cu directia

3. In functie de relatiile sistemului cu mediul inconjurator se disting 3 categorii de sisteme: izolate – nu schimba nici energie nici substanta cu mediul inconjurator

astfel incat cantitatea de energie si cantitatea de substanta dintr-un sistem izolat reprezinta marimi constante in timp.

inchise – schimba numai energie cu mediul exterior deschise – schimba atat energie cat si substanta cu mediul exterior

Organismele vii reprezinta cele mai tipice sisteme eterogene anizotrope deschise.Metabolismul, cresterea si dezvoltarea organismelor vii precum si toate celelalte fenomene care au loc in interiorul acestora se realizeaza prin structuri bazate pe eterogenitate si anizotropieConditia esentiala pentru mentinerea vietii consta in schimbul permanent de energie si substanta dintre organismele vii si mediul inconjurator.S-a demonstrat ca in cazul fiintei umane intrepatrunderea acestor legaturi pentru o perioada mai mare de 5 minute determina degradari ireversibile ale sistemului.

BIOFIZICA (curs 3)

ELEMENTELE CONSTITUTIVE ALE MATERIEI VII

Materia vie se caracterizeaza, din punct de vedere chimic, printr-o deosebita eterogenitate. Pe baza multiplelor cercetari microchimice si histo-chimice s-a ajuns la concluzia ca elementele chimice intra in organismele vii in combinatii foarle complicate si extrem de instabile.

Materia vie este alcatuita din mii de feluri de molecule organice care, formeaza substantele organice (glucide, lipide, protide), o mare cantilate de apa si numeroase substante anorganice (minerale), care se afla fie dizolvate in apa, fie sub forma de combinatii organomineral.

Pentru a exprima compozitia chimica a materiei vii, ar trebui sa se cunoasca formulele tuturor constituentilor, ceea ce deocamdata nu este, posibil.

In corpul uman se gasesc mai bine de 10000 de tipuri de proteine.Una din cele mai simple fiinte, virusul mozaicului tutunului, este format din 2

200 de macromolecule de proteine si, in plus, din molecule de acid nucleic. Scrierea formulelor acestor constituienti ar necesita cateva sute de pagini.

In trecutul indepartat, in conditiile unui mediu adecvat, substantele minerale, inerte, s-au structurat si printr-un salt calitativ au castigat proprietati noi, transformindu-se in substante organice, specifice materiei vii. Baza acestor structurari consta in sunteza substantelor proteice.

Analiza chimica a materialului tisular de orice provenienta indica compozitia chimica elementara a materiei vii, aratand cu aproximatie valorile medii si proportia in care elementele chimice intra in compozitia tuturor vietuitoarelor.

Din cele 105 elemente chimice identificate in Univers si cuprinse in Sistemul periodic al elementelor (tabelul Mendeleev) , au fost identificate in materia vie peste 60 de elemente care au capatat denumirea de elemente biogene sau bioelemente.

Elementele constitutive ale materiei vii provin din lumea minerala. Ele patrund in organismele vii prin procese de fotosunteza, de respiratie sau nutritie.

In functie de concentratia in care se regasesc in organismele vii, bioelementele se clasifica in doua categorii, si anume: macroelemente si microelemente.

MACROELEMENTELE:Se gasesc in materia vie in concentratii mai mari de 10-3 si intra in constitutia majoritatii substantelor organice si anorganice din structurile biologice. Deci, ele au rol plastic, constructiv.Cele mai importante elemente din aceasta grupa sunt:

hidrogen (H) carbon (C) Azot (N) Oxigen (O2) Sodiu (Na) Magneziu (Mg) Fosfor (P) Sulf (S)

Clor (Cl) Potasiu (K) Calciu (Ca)

Elementele constitutive ale materiel vii formeaza in organism atat compusi organici, cit si compusi anorganici. Rareori aceste elemente se gasesc izolate, in stare libera.

Compusii organici sunt cuprinsi in trei clase mari: protidele lipidele glucidele la care se mai adauga enzimele, acizii nucleici, vitaminele si hormonii.

Compusii anorganici sunt: apa sarurile minerale gazele.

La om, protidele detin circa 15% din masa corpului, lipidele circa 13%, glucidele circa 1 %, substantele anorganice circa 71 %, din care apa circa 67% .

Nr.ctr SPECIA Protide (%) Lipide (%) Subst. Min. (%)1. Cal 17 17 4.52. Bou 15 26 4.63. Oaie 16 20 3.44. Porc 15 24 2.85. Gaina 21 19 3.2

Compusii organici si anorganici alcatuiti din biomolecule prezinta structuri si proprietati foarte variate, integrate in materia vie si care conditioneaza organizarea biochimica structurala si functionala.

Protidele sunt cele mai importante substante structurale si functionale ale materiel vii, intra in constitutia citoplasmei celulelor, reprezentind substratul material al tuturor fenomenelor vietii.

Protidele rezulta in procesul de biosunteza din multiple posibilitati de combinare a celor 20 de aminoacizi (circa 104 tipuri de proteine intr-o celula).

Lipidele au rol energetic si mai putin plastic, rol de vehiculanti ai unor componente importante din punct de vedere biologic, dar insolubile in apa.

Glucidele, dintre care esentiale pentru metabolismul energetic sunt amidonul la plante si glicogenul la animale.

Acizii nucleici (ADN si ARN) au rol unanim recunoscut in conservarea, exprimarea si transmiterea informatiei genetice.

Macroelementele se pot imparti in trei categorii: elementele biogene principale de constructie , reprezentate de oxigen (65%),

carbon (18%), hidrogen (10%), azot (3%) elementele metalice (biometale) : calciu, magneziu, potasiu si sodiu elementele metaloide (biometaloide) : fosfor, sulf si clor.

Elementele biogene principale reprezinta 96% din constituirea unui organism animalElementele metalice si metaloide reprezinta 3 % din constituirea unui organism animalRestul de 1 % revine microelementelor.

BIOFIZICA (curs 4)

MICROELEMENTELE (OLIGOELEMENTELE)

Se gasesc in materia vie in concentratii cuprinse intre 10-3 —10-5 si chiar mai mici de 10-5. In ciuda faptului ca microelementele se gasesc in concentratii infinitezimale, totalizand in materia vie o cantitate mai mica de 1%, oligoelementele prezinta o importanta biologica speciala datorita functiilor lor vitale. Microelementele au rol catalitic, asigurind desfasurarea unor importante procese biochimice. De aceea, oligoelementele se mai numesc si elemente catalilice.

Studiile experimentale din ultimele decenii au aratat ca insuficienta sau excesul diferitelor microelemente influenteaza cresterea plantelor si productia la hectar, productivitatea animalelor si raspindirea unor boli.

Identificarea oligoelementele in materia vie se datoreste introducerii unor tehnici fizice moderne de identificare si dozare, ca radioactivarea cu neutroni, spectrografia de masa etc.

Rolul exact al tuturor oligoelementelor nu este inca pe deplin elucidat. Prezenta oligoelementelor se evidentiaza tot mai frecvent in structuri si substante biologice active. In general, ele intra in compozitia unor enzime, hormoni si vitamine.Microelementele intilnite in organismele vii sunt, in ordinea proportiei : Fe (fier), F(fluor), Si(siliciu), Zn(zinc), Cu(cupru), Br(brom), Sn(staniu), Mn(mangan), I(iod), B(bor), As(arsen), Co(cobalt), Se(seleniu).

Ele ajung in organismele animale direct (din apa, saruri), prin intermediul hranei vegetale si indirect, prin consumul de carne.

Fierul. Dintre microelemente, fierul este cunoscut de cea mai multa vreme. Corpul unui om adult contine cam 3,5 grame de fier, deci circa 0,005% din masa sa corporala. In proportie aproape egala se gaseste si in plantele verzi. Fierul intra in compozitia hemoglobinei, a pigmentilor respiratori ai vertebratelor si ai altor pigmenti inruditi - citocromii - care au rol foarte important in respiratia celulelor. Absenta fierului in organism ar duce la moarte imediata.

Florul se gaseste in structura smaltului dentar.Siliciul, element important in scoarta Pamintului, se gaseste in

multe plante si este un component structural al diatomeelor. Datorita structurii cristaline si compozitiei chimice asemanatoare cu carbonul, siliciul a stat la baza unor ipoteze prinvind alte forme de viata in univers.

Zincul este un component structural si functional al unor sistemebiochimice si se gaseste in insulina.

Cuprul se gaseste in muschi, schelet, ficat, singe.Manganul, arsenul si fierul au rol in stabilizarea structurii in

dublu-helix a ADN-uIui.

Iodul, care se gaseste in hormonul tiroidian (tiroxina), prezinta importanta in metabolismul tiroidian.

Borul este esential pentru cresterea plantelor si se gaseste in cantitati foarte mici si in corpurile animalelor. Functia lui biologica este inca putin cunoscuta.

Cobaltul este un constituent esential al vitaminei B12.Seleniul, care se gaseste in cantitate mare in retina, are rolul de

a reactiona ca traductor al senzatiei vizuale.In general, daca se analizeaza elementele chimice care intra in

constitutia materiei vii, se constata ca rolul important in structurile biologice il au elementele usoare din primele patru perioade ale Sistemului periodic al ele-mentelor dupa D.I.Mendeleev. Acestea sunt cele mai raspindite elemente din natura, cele mai reactive si cele care dau cei mai multi compusi solubili in apa.

Cele patru elemente biogene principale se caracterizeaza prin mase atomice mici, nuclee atomice stabile si putine straturi electronice.

Elementele chimice grele se gasesc in cantitati infime in organismele vii pentru ca ele sunt mai putin raspandite la suprafata pamintului, sunt putin reactive si atat ele cit si compusii lor se dizolva greu in apa sau sunt insolubile.

ORGANIZAREA MATERIEI VII

Intreg Universul inconjurator este alcatuit din molecule si atomi. Aceste particule de substanta nu sunt insa amestecate haotic, dezordonat, ci sunt aranjate in diferite feluri, sunt organizate, formand diferite corpuri, dintre care unele sunt lipsite de viata, iar altele sunt vii.

Principalele trepte ale organizarii materiei:1. particule fundamentale – reprezentate in principal de electroni,

protoni si neutroni2. elemente chimice3. structuri chimice – cuprind molecule organice, ioni si molecule

minerale4. structuri chimice complexe – includ macromoleculele si sistemele

coloidale complexe5. structuri leptonice – cuprind citoplasma6. structuri subcelulare – cuprind organitele celulare si diverse

structuri functionale7. structur celulare – includ celula cu structuri monocelulare sau

pluricelulare8. structuri supracelulare – cuprind celule diferentiate, tesuturi,

organe, sisteme, aparate si organisme

Dupa cum se poate observa din structura materia vie intervine odata cu constituirea structurilor leptonice

FENOMENELE ELECTRICE

In cadrul biofizicii, studiul fenomenelor electrice si bioelectrice ocupa un rol privilegiatdatorita faptului ca masuratorile efectuate asupra sistemelor biologice se traduc in masura marimilor electrice.

BIOFIZICA (curs 5)

RADIATIILE SI VIATA

Prin radioactivitate naturala se intelege fenomenul de emisie spontana de particule sau de radiatii electromagnetice de mare energie, de catre unele nuclee instabile.

Descoperirea radioactivitatii naturale se datoreaza lui H. Becquerel care in 1896 a observat ca sarurile de uraniu produc un efect specific asupra filmului fotografic. In faza initiala a cercetarilor si observarilor au fost puse in evidenta fenomenele de radioactivitate la nuclele grele din natura (uraniu, radiu, actiniu, toriu).

Incepand cu numarul atomic Z=84 toate elementele sunt radioactive, ulterior au fost puse n evidenta caracteristicile radioactive ale unor elemente precum:

lutetiu reniu carbon tritiu.

Radiatiile emise de o substanta radioactiva se propaga rectiliniu in toate directiile dar supuse unui camp electric sau magnetic ele pot fi descompuse in 3 componente principale si anume:

radiatiile alfa ( α ) radiatiile beta ( β ) radiatiile gamma ( γ )

Aceste radiatii prezinta o serie de proprietati comune caracteristice cum ar fi:

inegrirea emulsiei fotografice provoaca luminescenta anumitor substante incalzesc mediul in care sunt absorbite si caruia ii cedeaza

energia

-

+

Radiatiile alfa (α ) sunt nuclee de heliu si se caracterizeaza prin capacitate mica de patrundere in substanta si o putere de ionizare constanta. Ele sunt slab deviate de un camp electric sau magnetic care nu reuseste sa le disperseze ceea ce denota faptul ca radiatiile alfa emise de o anumita substanta radioactiva au aceeasi energie.

Radiatiile beta ( β ) sunt alcatuite din electroni avand o putere de patrundere mai mare si o actiune de ionizare mai scazuta decat radiatiile alfa. Sunt deviate in campuri electrice sau magnetice in sensul opus fata de radiatiile alfa iar fascicolul obtinut in urma devierii este puternic dispersat, fapt ce dovedeste ca radiatiile beta emise de un element radioactiv se compun din electroni cu spectru continuu de energie.

Radiatiile gamma ( γ ) sunt unde electromagnetice asemanatoare luminii sau radiatiilor ROENGEN dar cu o lungime de unda mult mai mica, adica in plaja situata intre 10-3, 10-5 Ǻ

BIOFIZICA (curs 6)

INTERACTIUNEA RADIATIILOR CU MATERIA

Radiatiile, datorita energiei pe care o poarta pot induce modificari in substantele pe care le strabat. Datorita acestor modificari actiunea radiatilor emise de nucleele radioactive poate fi cunoascuta si masurata. La elementele radioactive actiunea radiatiilor este cu cat mai importanta cu cat perioada de injumatatire este mai scurta.

In interactiunea radiatiilor cu materia vie sunt afectate componentele celulare de la nivelul nucleului cu predilectieADN-ul si citoplasma.

La aplicarea unor doze moderate nu se produc modificari metabolice de fond. Depasirea anumitor doze critice determina aparitia perturbarilor biochimice care afecteaza straturile proteice, lipidice, ergonii(hormoni si vitamine), echilibrul hidroelectrolitic prin aparitia de substante puternic oxidante. Toate acestea conduc la tulburari metabolice de permeabilitate, mitoza, etc.

Indiferent de natura radiatiilor actiunea acestora asupra organismului, respectiv asupra tesuturilor se rezuma la cateva efecte chimice:

excitarea moleculelor ionizarea formarea de radicali liberi

Excitarea moleculelor care apare ca o consecinta a interactiei radiatiei cu materia vie ce consta in trecerea unor electroni de pe o orbita pe alta fara a parasi sitemul orbital al atomului afectat. La trecerea electronilor de pe o orbita exterioara de energie mai mare se produce starea de excitatie. Revenirea la aceeasi stare are loc prin pierdere de energie prin care se produc fotoni sub forma unor radiatii UV sau vizibile.

Ionizarea este procesul prin care prin absorbtia radiatiei are loc expulzarea sau capturarea de electroni.

Radiatiile alfa(α) si beta(β) determina procese de ionizare directe, pe cand radiatiile gamma (γ) actioneaza indirect in procesul de ionizare. Durata existentei ionilor este de aprox 10-6 secunde. In cazul in care ionii formati intalnesc atomi sau molecule active interactioneaza cu acestia, altfel ei se recombina.

Este cunoscut faptul ca in materia vie la nivelul citoplasmei si nucleului exista numeroase substante active care pot interactiona cu ionii formati prin iradiere rezultand substante noi care tulbura activitatea formatiunilor celulare.

Intensitatea procesului de ionizare este dependenta de: natura radiatiei doza radiatiei radisensibilitatea tesuturilor

Formarea radicalilor liberi are loc prin ruperea legaturilor covalente rezultand atomi sau molecule care contin unu sau mai multi electroni neimperecheati.

Numarul radicalilor formati este considerat ca fiind de 2-4 ori mai mare decat numarul ionilor formati prin radiere. Actiunea radiatiilor indiferent de natura lor distinge 3 etape si anume:

nivelul fizic (are loc in momentul iradierii si consta in procese de excitare, ionizare si formare de ioni liberi)

nivelul chimic (prin care are loc interactiunea cu componente celulare rezultand radicali activi moleculari sau macromoleculari care aduc modificari de structura unor substante celulare)

nivelul fiziologic (se produc modificari metabolice in nucleu si citoplasma cu consecinte somatice directe sau tardive)

PARTICULARITATILE ACTIUNII BIOLOGICE

Interactia radiatiilor nucleare cu materia vie prezinta particularitati legate de viteza si energia radiatiilor ca si de complexitatea structurala a formatiunilor biologice.

Radiatia α formata din nuclee de heliu interactioneaza preferential cu electronii din mediul

cu care vine in contact, determinand numeroase procese de ionizare.

avand energie mica radiatia alfa nu ajunge in mod normal sa interactioneze cu

nucleul deoarece energia se pierde la nivelul invelisului electronic. patrunde putin in tesuturi astfel particulele emise de radiu 226

(226Ra) cuenergia de 4,8 mega electro volti (MeV) strabat in aer 4 cm si in tesutu viu 52 microni (µ) iar cele emise de uraniu 238 (238U) cu energia de 4,15 volti strabat in aer 3,5 cm iar in tesut 45,5 µ.

Cu cat energia particulelor alfa este mai redusa cu atat puterea de ionizare este mai

mare, astfel pe masura ce particula patrude in substanta, energia acesteia scade prin atenuare si creste densitatea de ionizare.

Particulele au un drum rectiliniu, ionii formati ocupand o grosime de aprox 0,1µ in jurul urmei lasate de particula. In aceasta zona se vor produce modificari ale substantei.

Parcursul particulei alfa este dependent de densitatea materialului, de greutatea atomica si de parcursul particulelor alfa in aer

Parcursul partculelor alfa se noteaza cu R iar valorile parcursului pentru diferite enrgii se gasesc tabelate.

Radiatia β formata din electroni de energie variabila in functie de nuclitul utilizare. Printre izotopii curent folositi in biologie se regasesc:

carbon 14 (14C) fosfor 32 (32P) sulf 35 (35S) fier 59 (59Fe)

Valoarea energiei radiatiei β conditioneaza puterea de patrundere in tesuturi intr-o relatie direct proportionala astfel:

radiatia emisa de 14C are energia de 0,15 MeV si un parcurs in tesuturi de 0,24 mm iar cea emisa de 59Fe are energia de 0,46 MeV si parcursul in tesut de 1,5 mm.

Drumul radiatiilor beta esre deviat de la strabaterea substantei datorita straturilor electronice ale atomilor intalniti astfel ca nu mai pastreaza caracterul rectiliniu ca in cazul radiatiilor alfa.

Determina efecte de excitare atomica in cursul carora se cheltuieste o mare parte din energia initiala.Ca urmare a acestui proces, datorita interactiunii pot sa fie generati fotoni

Un alt fenomen caracteristic al radiatiilor beta il reprezinta radiatia de franare. Electronii rezultati din dezintegrarea radiatiilor beta care intra in campul clumbian al nucleelor unor atomi grei sunt incetiniti si deviati. Diferenta de energie rezulta din aceasta franare care este emisa sub forma de radiatie „x” care constituie efectul fundamental utilizat in constructia tuburilor ROETGEN.

BIOFIZICA (curs 6)

NUCLEUL ATOMIC. NUCLIZI. RADIATII NUCLEARE

Nucleele atomice sunt formate din neutroni si protoni. Nucleul atomic se caracterizeaza calitativ prin numarul de protoni din nucleu egal cu numarul de ordine Z si cu sarcina lui iar cantitativ prin numarul de masa A dat de suma maselor protonilor si neutronilor. Cu ajutorul numerelor A si Z se poate reprezenta orice nuclid.

Nuclidul este specia atomica definita de numarul de masa A, de numarul atomic Z si caracterizat printr-o animita stare energetica a nucleului cu conditia ca timpul de injumatatire sa fie suficient de mare.

Nuclizii se pot prezenta sub mai multe forme care poatrta denumirea de specii. Astfel sunt denumite urmatoarele specii de nuclizi:

Izotopi Izobari Izotoni Izomeri nucleari

Izotopii sunt nuclizi care au numar atomic Z identic si numar A diferit, ocupand acelasi loc in sistemul periodic exemplu (oxigenul – 8

16O, 817O, 8

18O; uraniul – 92238U,

92235U, 92

234U).Izobarii sunt nuclizi care au numar atomic Z diferit si numar de masa A identic,

exemplu (potasiul – 1940K; calciul – 20

40Ca; fier – 2658Fe; nichel – 29

58Ni)Izotonii sunt nuclizi care contin acelasi numar de neutroni dar difera numarul

de protoni, exemplu (oxigenul – 818O; clor – 9

19Cl; potasiu – 1020K)

Izomerii nucleari sunt nuclizi care difera intre ei prin proprietatile radioactive. Acesti nuclizi prezinta un numar egal de neutroni si protoni dar o stare energetica diferita.

Reprezentarea starii energetice (ZAT)ε

Exista specii de nuclizi care au proprietati de a emite spontan particule, radiatii gamma sau radiatii „x” ca urmare a capturii de electroni orbitali.

Speciile de nuclizi cu proprietati orbitale poarta denumirea de radionuclizi.

Radiatiile alfa se intalnesc la izotopii radioactivi grei si sunt formati din ioni de heliu(He2+) respectiv nuclee de heliu (4He) in miscare de traslatie rapida.Viteza de transmisie a particulelor alfa din nucleul atomic este de cca. 1,4 pana la 20*107 m/s-1.

Aceasta viteza mare este datorata energiei mari de legatura care exista intre protonii nucleului respectiv. Energia radiatiei alfa este situata intre 2-9 MeV iar spectrul acesteia este monoenergetic.Ex: 226Ra → 4,97 MeV – radiu212Po → 8,76 MeV - poloniu

Radiatiile beta se intalnesc sub doua forme: Electroni (care alcatuiesc radiatia β-) Pozitroni (care alcatuiesc radiatia β+)Radiatiile beta se emit din nucleele atomice cu viteze situate intre 1 si 3*108m/s-1.Radiatiile beta prezinta un spectru energetic continuu cu energii cuprinse intre 0,017 MeV si 16 MeVExemplu: 14C → 0,155 MeV carbon32P → 1,71 MeV – fosfor12N → 16,6 MeV – azot

Radiatiile beta produse prin dezintegrare sunt rezultatul transformarii in interiorul nucleului al unui:

Neutron intr-o reactie de forma 01n → 1

1p + e- + υ’ Proton intr-o reactie de forma: 1

1p → 01n + e- + υ’

In aceste procese mai rezulta particule de masa foarte mica lipsite de sarcina electrica denumite ANTINEUTRINO si NEUTRINO

Radionuclizii cu exces de neutroni prezinta radioactivitate β- care constituie 46% din totalul radionuclizilor. La randul lor radionuclizii cu exces de protoni prezinta radioactivitate de tip β+ (emit pozitroni).

La izotopii naturali se intalneste exclusiv radioactivitatea de tip β-. Izotopii care emit radiatii de tip β- pot emite concomitent atat particule alfa cat si radiatii gamma.

Radiatiile gamma sunt de natura electromagnetica la fel ca si radiatiile X. Acestea se reflecta, se refracta, se difracta, interfereaza fara a fi influentate de campul electric sau magnetic. Din punct de vedere ondulatoriu acestea au lungimi de unda mici cuprinse inte 0,018 Ǻ si 6,35 Ǻ si o energie cuprinsa intre 1900 eV si 7 MeV. Spre deosebire de acestea radiatiile X au lungimea de unda 0,01 – 100 Ǻ si energii cuprinse intre 1,24 eV si 124 eV.

Producerea radiatiilor gamma are loc in urma dezintegrarilor alfa si beta cand nucleul format ajunge intr-o stare excitata. Revenirea la starea fundamentala se face prin emisie de radiatii gamma. De asemenea in unele reactii nucleare excesul de energie al nucleului realizat prin captura de neutroni sau protoni se elimina prin emisii de radiatii gamma. Aceste procese au loc fara modificari ale numerelor A si Z.Puterea de ionizare a radiatiilor gamma este redusa deoarece nu au sarcina electrica.. puterea penetranta a radiatiilor gamma este extrem de mare datorita vitezei lor apropiata de viteza luminii si a lungimii de unda redusa. Puterea penetranta a radiatiilor gamma va fi de zeci de metri in aer si zeci sau sute de cm in metale.

Dezintegrarea radioactiva este un proces care evolueaza in timp cu viteze diferite de la un nuclit la altul.

Numarul dezintegrarilor „dN” care au loc in timpul „dt”este proportional cu produsul λN cu care λ = constanta de dezintegrare radioactiva iar N = numaruld e nuclee existente la momentul „t”

dN = λN dt

Procedand la integrarea intre valorile No si N N t

ʃ dN = ʃ - λ dt → N = No * e-λt

No to

Aceasta relatie indica faptul ca procesul de dezintegrare are loc dupa o lege exponentiala. Constanta de dezintegrare λ are caracterul unei medii statistice care reprezinta probabilitatea de dezintegrare a unui nucleu sau particule elementare in unitatea de timp.

Unitatea de masura a acestei constante este secuna la -1 (s-1).

O alta caracteristica a radionuclizilor o reprezinta timpul de injumatatire care se considera a fi intervalul de timp in care numarul de nuclee existente initial intr-o sursa radioactiva se reduce prin dezintegrare la jumate.Se deduce matematic faptul ca valoarea timpului de injumatatire este data de relatia :T ½ = ln2

λ

Pentru 16N (azont) avem λ = 9,42*10-2 s-1 iar T1/2= 7,4 s32P (fosfor) λ = 5,6* 10-7 s-1 iar T1/2 = 14,5 zile14C (carbon) λ = 9,64*10-12 iar T1/2 = 5568 ani.

Viata medie reprezinta o alta caracteristica importanta a radionuclizilor. Durata vietii medii a nucleelor unei specii radioactive se defineste ca fiind

universul constantei de dezintegrare.Importanta definirii acestor parametrii este data de posibilitatea estimarii efectelor

biologice ale interactiei materiei vii cu radiatiile nucleare.Radiatiile nucleare fie ca sunt de natura corpusculara ori electromagnetica pot fi

detectate numai in urma proceselor de interactiune cu materia.Particulele incarcate aflate in miscare interactioneaza cu mediul pe care il parcurg

datorita sarcinilor eletrice. Procesul de interactiune are loc in special cu electroni orbitali si mai rar cu nuclee atomice. Interactiunile particulelor nucleare cu nucleele pot avea loc prin ciocniri elastice sau inelastice.

O cicocnire se numeste elastica daca in timpul procesului particulele care interactioneaza nu-si schimba identitatea iar suma impulsurilor si a energiei cinetice inainte si dupa interactiune se conserva. In urma unei astfel de ciocniri particula incidenta isi schimba directia de miscare datorita fortelor electrostatice coulombiene fie datorita fortelor nucleare.

O ciocnire se numeste inelastica daca implica modificarea in impulsurile sienergiile cinetice ale particulelor reactante fara schimbarea naturii lor.

BIOFIZICA (curs 7)

RADIONUCLIZII

Fisa de caracterizare a unui radionuclid cuprinde urmatoarele date de identificare: Denumirea elementului si starea izomera(m) Timpul de injumatatire (secunde, minute, ore, zile, ani) Schema de transfomare Alte radiatii emise Tabelul care contine calitatea radiatiilor, energii si abundente relative Producerea, tipuri de radiatii si parcurs

Nivele de expunere, concentratii si doze caracteristice Proprietati radiobiologice Proprietati ale elementului (fizice si chimice) Substante active livrate de producator si limite de transport

Din punct de vedere al radioprotectiei omul de referinta este conform definitiei oferite de documentul numarul 23 al ICRP, un barbat idealizat din rasa caucaziana, in varsta de 20-30 de ani, cu greutatea de 70 de kg si inaltime de 1,70 cm, debitul de aer inspirat la activitati fizice usoare de 1,2 m3/h caruia ii corespund 1400 ml de urina si 135 gr fecale pe zi. In plus pentru analizele de radio-protesctie se considera ca omul consuma 360 kg de solide/an, 800 kg lichide/an si 7800 kg aer/an.

Caracteristicile respiratorii ale omului de referinta: Oxigen inhalat (gr/zi) Dioxid de carbon expirat

Pentru un adult barbat 920 gr/zi de O2 inhalat si 1000 gr/zi de CO2 expirat;Pentru un adult femeie 640 gr/zi de O2 inhalat si 700 gr/zi de CO2 expirat;Pentru un copil de 10 ani 600 gr/zi de O2 inhalat si 660 gr/zi de CO2 expirat.

Pentru masuratorile marimilor care caracterizeaza radiatiile nucleare se utilizeaza un set de marimi specifice carora le sunt asociate unitati de masura in conformitate cu sistemul international, astfel activitatea unei cantitati de radionuclid A are ca unitate de masura becqerelul care este definit ca fiind egal cu o dezintegrare pe secunda:

[A]S.I. = 1 Bq = 1 s-1

Exista ca unitate tolerata curie-ul iar relatia este:

1 Ci = 3,7 * 1010 Bq

Doza absorbita este o marime dozimetrica folosita ca fiind raportul dintre energia medie cedata si cantitatea de masa:

D = dε DnUnitate de masura pentru doza absorbita poarta numele de GRAY si este definita ca fiind egala:

1 Gy = 1J/Kg

Unitatea tolerata poarta denumirea RAD iar relatia care face legatura intre cele doua marimi este:

1 Gy = 100 rad

Doza echivalenta reprezinta doza absorbita intr-un organ sau intr-un tesut multiplicata cu factorul de ponderare a radiatiilorUnitatea de masura asociata dozei echivalente poarta denumirea de SIEVERT iar ca unitate tolerata exista REM-ul intre care exista relatia:1 Sv = 100 REM

FACTORI DE PONDERARE: Pentru maduva rosie = 0,12 Pentru colon = 0,12 Pentru plaman = 0,12 Pentru stomac = 0,12 Pentru vezica urinara = 0,05 Pentru ficat = 0,05 Pentru esofag = 0,05 Pentru tiroida = 0,05 Pentru sani = 0,05 Pentru piele = 0,01 Pentru suprafata oaselor = 0,01

Factorii de ponderare a radiatiilor sunt: Pentru fotoni, electroni si miuoni de toate energiile = 1 Pentru fotoni cu energii mai mici de 2 MeV = 5 Pentru neutroni cu energii > 10 KeV si >20 MeV = 5 Pentru neutroni cu energii cuprinse intre 10 Kev si 100 KeV respectiv 2 MeV -20

Mev = 10 Pentru neutroni cu energii cuprinse intre 100 KeV si 2 meV = 20 Pentru particule α, fragmente de fisiune si nuclee grele = 20