Biofizica si imagistica medicala Curs I

Biofizica curs 1Biofizica este tiina care studiaz fenomenele fizice din sistemele biologice cu ajutorul teoriilor si tehnicilor fizico-matematice. Se ocup de 3 probleme fundamentale:Studierea fenomenelor fizice implicate n funcionarea sistemelor biologiceFolosirea tehnicilor fizice pentru cercetarea unor probleme de biologieCercetarea efectelor biologice ale factorilor fiziciApariia biofizicii este o consecin a folosirii din ce n ce mai largi a tehnicilor fizice n tiinele biologice, n medicin, a necesitii unei abordri cantitative i analitice a fenomenelor biologice.

Introducere nclinarea omeneasc de a explica funcionarea organismului s-a conturat nc din antichitate. Astfel n antichitate erau folosite fenomenele i factorii fizici n vederea prevenirii i vindecrii unor maladii. Astfel antichitatea roman cunotea talasoterapia, popoarele bazinului mediteranean foloseau plaja i solarul contieni de efectul razelor UV. n evul mediu se remarc Leonardo da Vinci cu studii asupra zborului psrilor, preocupri pe care le ncadrm azi n biomecanic. n sec. XVIII se remarc L. Galvani prin observaiile sale asupra excitabilitii muchiului de broasc. n sec. XIX Helmholtz a msurat viteza influxului nervos. n sec. XX, menionm lucrrile lui Danielli asupra structurii membranelor biologice, apoi G. Palade a iniiat aplicarea microscopului electronic n cercetarea biologic.

Relatii cu alte ramuri Relaia Biofizicii cu alte tiine:1. tiine fizice:Fizica, Chimia, Biochimia2. Cibernetica3. tiine bio-medicale: Genetica, Fiziologia, Fiziopatologia, Clinica medical4. Problematica special: Principii i mecanisme fizice ale funcionrii sistemelor biologice, Interacia sistemelor biologice cu factorii fizici ambientali5. Metode: Experimentale, Teoretice6. Aplicaii: Clinice, Agrozootehnice, Industriale

Notiuni de fizica moleculara a lichidelor Forte si legaturi intermoleculare n lichide. Moleculele lichidelor interacioneaz n general prin forte de tip Van de Waals. Legaturile Van der Waals se ntlnesc n cazul dipolilor electrici. ntr-un dipol electric centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu cel al sarcinilor negative. Moleculele pot fi dipoli instantanei pentru un interval de timp foarte scurt, dar, prin mediere n timp, acest comportament dipolar dispare n cazul moleculelor perfect simetrice.n general, moleculele se pot comporta ca dipoli permanenti sau indusi (n prezenta unor cmpuri electrice exterioare moleculele nepolare pot deveni dipoli indusi). Dintre dipolii permanenti se pot mentiona apa, lipidele, proteinele etc.

dipoli

Fortele Van der Waals Interactiile Van der Waals pot fi, n functie de caracterul dipolului, de tip: - dipol instantaneu dipol instantaneu; - dipol instantaneu dipol permanent; - dipol permanent dipol permanent.

Legaturile coordinative Un alt tip de legaturi ntlnite la lichide sunt cele coordinative (mai puternice). n acest caz exista o suprapunere partiala a norilor electronici ai moleculelor. ntre moleculele lichidelor exista si forte de repulsie datorate respingerii sarcinilor de acelasi fel. n functie de natura legaturilor pe care le contin, lichidele sunt: - simple (contin numai legaturi Van der Waals exemplu, alcoolul); - complexe (n afara legaturilor van der Waals contin si alte legaturi, mai ales de tip coordinativ exemplu, apa). Un grup special l constituie cristalele lichide n care legaturile intermoleculare realizeaza structuri ordonate unidimensional si chiar bidimensional, extinse pe distante mari

Tipuri de legaturi moleculare in lichide

Legaturi Van der Waals dipol permanent dipol permanent dipol indus dipol indus dipol permanent dipol indus Legaturi de hidrogen (H) (coordinative)Interactii ion-ion Interactii ion-dipol

dipoliiDipoli Dipoli permanenti: Molecule in care exista o distributie permanenta a sarcinilor pozitive spre unul din polii moleculei si a sarcinilor negative spre celalalt pol (molecule polarizate permanent) Dipoli indusi: Molecule nepolarizate permanent, dar care devin polarizate sub influenta unui cmp electric extern.

Legturi van der Walls

Legaturile de hidrogen Legturi de hidrogen

Modele moleculare ale starii lichide Modelul cinetico-molecular Lichidele sunt considerate gaze foarte comprimate Aplicabil doar lichidelor formate din molecule monoatomice Modelul cristalin Lichid format din celule identice, ocupate de o molecula Moleculele pot trece dintr-o celula in alta Modelul vacantelor fluidizante In lichid exista goluri = vacante fluidizante Vacantele au o miscare similara cu agitatia termica Numarul de vacante pe unitatea de volum=nr. lui Avogadro

Modele moleculare ale starii lichide

Molecula de apa Molecula de apaStructura moleculei de ap H2OAtomul de oxigen este legat covalent de cei doi atomi de hidrogen, ntre oxigen i fiecare hidrogen este o distan de 0,99A.Direciile celor dou legturi O-H formeaz ntre ele un unghi de 105grd.Cei 10 electroni ai apei sunt distribuii astfel nct densitatea electronic maxim se afl n vecintatea atomului de oxigen, n consecin centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu cele negative, n consecin molecula de ap se comport ca un dipol electric.

Structura moleculei de apa Aranjament spaial tetraedric, Dipol electric

Cele trei stari de agregare

Apa poate exista in trei stari de agregare:solida - gheata;lichida - apa;gazoasa - vaporii de apa.

Modele ale apei lichideModelul retelei cristaline partial distruse: Datorita agitatiei termice unele legaturi de H se rup, apar domenii microcristaline intre care circula molecule libere Modelul gramezilor temporare: cooperativitate in formarea si desfacerea legaturilor de H, apar domenii dinamice Modelul domeniului unic: modelul actual; un domeniu unic cu discontinuiti localeModelul actul:forma i dimensiunile grmezilor de molecule se schimb n permanen ca urmare a formrii i ruperii continue de legturi de hidrogen.

Modelul apei lichide

Apa in stare solida

Forme diferite de cristalizare, in functie de temperatura, presiune, existenta unor nuclei de cristalizare Cele mai comune forme, la presiune atmosferica: Gheata hexagonala(temperaturi -80 0 C) Gheata cubica (temperaturi < -80 C) Legaturile de H formate sunt permanente

Apa in stare solida

Proprietatile fizice ale apei. Rolul apei n sistemele biologice

Proprietatile fizice ale apei. Apa are proprietati fizice speciale, care se explica prin caracterul ei dipolar si prin capacitatea de a forma legaturi de H. Dintre cele mai importante pentru sistemele biologice se pot mentiona: caldura specifica mult mai mare dect cea a oricarei substante solide sau lichide, este foarte importanta n procesele de termoreglare la nivelul organismului viu. De exemplu, eforturi musculare intense ar putea duce la o suprancalzire. conductibilitate termica de cteva ori mai mare dect cea a majoritatii lichidelor : amortizor termic al apei n organism; caldura latenta de vaporizare mult mai mare dect a altor lichide: factor determinant al homeotermiei (transpiratie); densitate maxima la 4 grade C importanta pentru viata acvatica constanta dielectrica foarte mare favorizeaza disociatia electroliticatensiune superficial mare (fenomene interfaciale, capilaritate)Rolul apei n sistemele biologice: apa este un component major al materiei vii.

Rolul apei in sistemele biologice Date privind compoziia n ap a unor esuturi i organe: creier 77%, ficat 75%, plmn 81%, inim 77%, rinichi 78%, muchi 76%, dinte 9%, os 43%, pr 4%. Organismul uman are un mare continut n apa (65-70%).

Rolul apei in sistemele biologice O mare parte a apei din organism manifesta proprietti fizice deosebite: se evapora foarte greu, ngheata la temperaturi mult sub 0grade C, nu dizolva cristaloizii, nu participa la osmoza aceasta este apa legata.Existenta apei legate se explica prin prezenta unui mare numr de specii moleculare, macromoleculare si ionice, care structureaz apa din jur. O mare parte a apei intracelulare prezint un grad superior de ordonare. Aceasta ordonare are un rol important n desfsurarea proceselor celulare (excitatie, contractie, diviziune, secretie etc). O serie de studii au artat ca apa este compartimentalizat: exista apa libera, apa partial legata si apa legata, fiecare din aceste compartimente avnd proprietti specifice

Apa grea Deuteriul este un izotop stabil al hidrogenului, cu numr de mas 2. Are nucleul format dintr-un proton i un neutron. Se formeaz n urma capturrii unui neutron de ctre atomul de hidrogen.Simbol chimicDeuteriul este frecvent reprezentat prin simbolul chimic D. Deoarece este un izotop al hidrogenului cu numr de mas 2, este reprezentat i prin simbolul 2H. Compui chimici ai deuteriuluiD2O, apa grea se foloseste la racirea reactoarelor centralelor nucleare.

Modificri biologice induse de deuterizarea apei intracelulare

Rolul deosebit de important pe care l joac apa n structura i funcia sistemelor biologice poate fi apreciat i dup efectele produse de nlocuirea apei cu apa grea. Analiznd structura molecular a apei grea, arat un grad de ordonare mult mai ridicat. Proprietile fizico chimice ale apei grea depind de faptul c deuteriul realizeaz legturi coordinative mai puternice cu elementele electronegative de tipul O sau N i acest fapt ar putea avea ca rezultat realizarea n celul a unor complexe ap-proteine mai stabile. nlocuirea apei cu deuteriul duce la disocierea rspunsului electric de cel mecanic n fenomenul contraciei musculare, fora de contracie scade. La nivelul miocardului apar modificri profunde evidente pe ECG. La nivelul fibrei nervoase, crete pragul de excitabilitate al fibrei nervoase

apaApa - Pentru ca o folosim in fiecare zi, credem ca o cunoastem. Insa nici macar oamenii de stiinta nu pot explica totul in legatura cu ea.Viata noastra, noi insine suntem atat de profund legati de ea, incat ceea ce afecteaza apa ne afecteaza si pe noi, cei care o consumam.

iracolul apei In culturile multor popoare apa e considerata a avea spirit. Savantii au descoperit cea de-a 4 stare a apei: starea de purtator de informatie ceea ce dovedeste ca apa are memorie. Astfel Apa dobandeste proprietati ascunse ce nu pot fi explicate cu ajutorul legilor fizicii si chimiei clasice. Apa e in stare sa primeasca, sa memorizeze si sa transmita chiar asa informatie fina ca si gindul, emotia si cuvintul.Savantul japonez Masaru Emoto a reusit sa fotografieze emotiile apei. Despre descoperirile lor interesante povestesc si savanti din Austria, Anglia, China, Japonia, Izrael, Kazahstan, Rusia, Tibet, USA, etc. Omenirea la momentul de fata se afla in pragul redescoperirii fenomenelor si legilor care au indus crearea lumii asa cum este ea, ceea ce deschide noi perspective: programarea apei, tratarea cu ajutorul apei a celor mai grele maladii si chiar programarea conditiilor meteorologice.

Dr.Masaru EmotoPresident Emeritus of the International Water For Life Foundation

Dr.Masaru EmotoCristal de apa

Cristale de apa de primavara

Cristale de apa distilata

APA SFINTITA

Thank you!Cristale de apa Multumesc !

Pamantul este civilizatia apei si a carbonului