BIOFIZICĂ MEDICALĂ ADRIAN SAVASTIŢAAnul I AMG

CURS 1 BIOFIZICA SISTEMELOR DISPERSE

Noţiuni introductive Biofizica este ştiinţa care se ocupă cu aplicarea diferitelor principii şi metode ale fizicii în fenomenele şi procesele biologice care au loc în organismele vii.Luând drept criteriu de clasificare nivelul de organizare a materiei vii, ramurile principale ale biofizicii sunt urmatoarele:a. Biofizica electronică (cuantică)b. Biofizica molecularăc. Biofizica celulară d. Biofizica sistemelor complexeBiofizica 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

SISTEME DISPERSE

Prin sistem dispers înţelegem un amestec de două sau mai multe substanţe, având o componentă dispersantă (solventul) şi una dispersată (solvitul). Solventul reprezintă elementul activ, iar solvitul elementul relativ pasiv, deoarece şi acesta influenţează caracteristicile sistemului. Soluţia este un amestec macroscopic omogen format din două sau mai multe substanţe care nu interacţionează chimic şi alcătuiesc o singură fază. O soluţie are drept părţi componente: • dizolvantul (solventul) care este în cantitate mai mare şi imprimă starea de agregare a soluţiei; • substanţa dizolvată (solutul). Soluţiile se clasifică după starea lor de agregare, în soluţii gazoase, lichide şi solide. Stări de agregare a corpurilor:

- starea solidă: solidele au formă şi volum propriu, forţe de atracţie mari între particulele constituente;

- starea lichidă: nu au formă proprie dar au volum propriu, forţe de atracţie decât la solide între particulele constituente, au proprietatea de a curge;

- starea gazoasă: nu au nici formă şi nici volum propriu, forţe de atracţie mici între particulele constituente, sunt expansibile ( ocupă tot volumul pe care îl au la dispoziţie);

Ţinând seama de cele trei stări de agregare există 9 posibilităţi de amestecare:

G → G; G → L; G → S

1

BIOFIZICĂ MEDICALĂ ADRIAN SAVASTIŢAAnul I AMG

L → G; L → L; L → SS → G; S → L; S → S

Ansamblul de fenomene care corespund acţiunii solventului asupra solutului poartă numele de dizolvare. În timpul dizolvării se desfac legăturile dintre particulele de solut şi iau naştere alte legături între particulele de solut şi cele de solvent. Solventul (dizolvantul) este substanţa chimică care are capacitatea de a dizolva o altă substanţă. În funcţie de polaritatea moleculelor care îl alcătuiesc, solvenţii se clasifică în: • solvenţi polari (ionizanţi, disocianţi); • solvenţi nepolari (neionizanţi, nedisocianţi).

Concentraţia Pentru caracterizarea sistemelor disperse din punct de vedere cantitativ se foloseşte unparametru intensiv de stare numit concentraţie.Concentraţia unei soluţii reprezintă cantitatea de substanţă dizolvată într-un anumit volum de soluţie.După concentraţie, se deosebesc: soluţii diluate, adică soluţii care conţin cantităţi mici de substanţă dizolvată şi soluţii concentrate, adică soluţii care conţin cantităţi mari de substanţă dizolvată.Concentraţia soluţiei se exprimă în mai multe moduri:- concentraţia procentuală: catitatea de substanţă dizolvată în 100g de soluţie;- concentraţa molară: numărul de moli de substanţă dizolvată într-un litru de soluţie;- concentraţia normală: numărul de echivalenţi-gram la un litru de soluţie.1. Echivalentul unui element reprezintăun numă rezultat din raportul dintre masa atomică a elementului şi valenţa sa.2. Echivalentul unui acid se calculează ca fiind raportul dintre masa moleculară a acidului şi numărul de protoni pe care acidul îi donează în reacţia chimică.3. Echivalentul unei baze se calculează ca fiind raportul dintre masa moleculară şi numărul de protoni acceptaţi în reacţie.

Clasificarea sistemelor disperse Sistemele disperse se clasifică în funcţie de dimensiunile particulelor, starea de agregare a dispersantului, afinitatea dintre componenţi sau tipul fazelor componente (faza reprezintă o parte omogenă a unui sistem, la suprafeţele de separare de celelalte părţi apărând variaţii bruşte ale proprietăţilor fizico - chimice). Pentru a caracteriza complet un sistem dispers, trebuie luate în considerare toate aceste criterii. 1. Pornind de la dimensiunile particulelor solvitului, se defineşte gradul de dispersie Δ ca fiind inversul diametrului particulelor solvitului d:

Δ = 1/d în funcţie de care se disting: - soluţii adevărate (moleculare) Δ > 109 m-1, d < 1 nm, aceasta este invizibilă la microscopul optic sau la ultramicroscop;- soluţii coloidale 107 m-1 < Δ < 109 m-1, 1 nm < d < 100 nm, vizibil la ultramicroscop;- suspensii Δ < 107 m-1, d > 100 nm, vizibilă la microscopul optic sau chiar cu ochiul liber.2. În funcţie de starea de agregare a solventului (solvitul putând fi gaz, lichid sau solid) sistemele disperse pot fi: - gazoase – substanţa dispersantă este un gaz (amestecurile gazoase, vaporii în aer, ceaţa);

2

BIOFIZICĂ MEDICALĂ ADRIAN SAVASTIŢAAnul I AMG

- lichide – substanţa dispersantă este un lichid (lichide nemiscibile, lichid în gaz, soluţii de electrolit);- solide – substanţa dispersantă este un solid (unele aliaje).3. În funcţie de afinitatea dintre componenţi sistemele disperse sunt: - liofile (există afinitate între solvit şi solvent) - liofobe (nu există afinitate între solvit şi solvent) 4. Din punct de vedere al tipului fazelor componente sistemele disperse pot fi: - monofazice, care pot fi omogene (proprietăţi identice în toate punctele sistemului) şi neomogene (proprietăţile diferă de la un punct la altul) - polifazice - heterogene: între părţile componente există suprafeţe de separare. (ceaţa, aerosoli, spuma : lichid şi gaz, gel : solid cu lichid)

În organism există soluţii adevărate, coloizi şi suspensii în care dispersantul este lichid, comportamentul lichidelor biologice fiind complex, având proprietăţi conjugate tuturor celor trei clase de sisteme disperse.

De exemplu, sângele este soluţie pentru cristaloizi (Na, Cl, K), coloid (deoarece conţine proteine: serumalbumine, globuline), suspensie (datorită prezenţei elementelor figurate). Lichidul cefalo rahidian (LCR) are substanţe cristaloide, deci este soluţie, în concentraţie scăzută are şi albumine, deci este coloid, are şi foarte rare celule endoteliale şi limfocite, fiind astfel reprezentată şi componenta de suspensie.

Osmoza Osmoza este difuzia unui solvent (de obicei apa) printr-o membrană semipermeabilă, dintr-o soluţie cu concentraţie mică de soluţie (potenţial mare al apei) într-o soluţie cu concentraţie mare de soluţie (potenţial mic al apei), până la un anumit gradient de concentraţie al soluţiei. Este un proces fizic în care un solvent se deplasează, fără a primi energie, printr-o membrană semipermeabilă (permeabilă la solvent, dar nu şi la soluţie) separându-se în două soluţii de concentraţii diferite. Osmoza eliberează energie, şi deci poate fi utilizată, aşa cum la un copac rădăcina acestuia care creşte poate sparge o piatră. Deplasarea netă a solventului este de la soluţia mai puţin concentrată (hipotonică) la cea cu concentraţie mai mare (hipertonică), care tinde să reducă diferenţa de concentraţie. Acest efect poate fi măsurat prin creşterea presiunii soluţiei hipertonice, faţă de cea hipotonică. Presiunea osmotică este definită ca presiunea necesară pentru a menţine echilibrul, fără o mişcare a solventului. Presiunea osmotică este o proprietate asociativă, aceasta însemnând că proprietatea depinde de concentraţia molară a soluţiei dar nu şi de identitatea sa. Osmoza este importantă în sistemele biologice unde multe membrane biologice sunt semipermeabile. În general, aceste membrane sunt impermeabile la soluţii organice cu molecule mari, precum, polizaharidele, în timp ce sunt permeabile la apă şi soluţii cu molecule de volum mic, neîncărcate. Permeabilitatea poate depinde de proprietăţile solubilităţii, sarcină, sau dimensiunile moleculare ale soluţiei. Moleculele de apă trec prin pereţii celulei de plasmă, tonoplast (vacuolă) sau protoplast în două modalităţi, sau direct prin difuziune prin stratul dublu fosfolipid, sau prin aquapori (mici proteine transmembrană similare cu cele din difuzia facilitată şi de la crearea canalelor de ioni). Osmoza oferă principala modalitate prin care apa este transportată în şi din celule.

3