Biofizica – definitie, descrierea caracterului interdisciplinar, exemplificarea legaturii cu disciplinele inrudite1.2. Biofizica moleculara – proprietatile moleculelor care alcatuiesc materia vie si fenomenele la care iau parte acestea.a) biofizica moleculara a apei si a solutiilor apoase (fizica moleculara a lichidelor, structura moleculara a apei si a solutiilor apoase, notiuni de fizica a sistemelor disperse, fenomene de transport in solutii si prin membrana celulara)

I.1. Introducere in biofizicăBiofizica → fenomenele fizice implicate în funcţionarea sistemelor biologice,fiind o ştiinţă care utilizează tehnici şi concepte fizico-chimice pentru cercetareafenomenelor lumii 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 celularăd. Biofizica sistemelor complexe• Pentru cercetarea proceselor biologice → structura şi însuşirile fizicochimice ale materiei vii• La baza multor procese biologice stau fenomenele fizice, însă ele sunt strâns legate de cele chimice şi sunt aproape inseparabile.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 vieFenomenele fizice stau la baza funcţionării mecanismelor biologice

Sistem dispers - amestec de două sau mai multe substanţe, având două componente:dispersantă şi dispersată. Prima o conţine pe cealaltă, care se află sub formă de particule, mai mult sau mai puţin fine.Criterii de clasificare a sistemelor disperse, în funcţie de:1. Dimensiunile particulelor: grad de dispersie = 1/d, d - diametrul particulei- soluţii adevărate (moleculare) > 109 m-1, d < 1 nm- soluţii coloidale 107 m-1 < < 109 m-1, 1 nm < d < 100 nm , ultramicroscop- suspensii < 107 m-1, d > 100 nm, microscop opticAcest criteriu de clasificare nu se poate aplica moleculelor lungi (hidrocarburi)2. Starea de agregare a dispersantului- gazoasă - lichidă - solidă 3. Faze (fază - parte a unui sistem separată de celelalte părţi prin interfeţe - suprafeţe la nivelul cărora se produce o modificare bruscă a proprietăţilor fizico-chimice):

- 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.4. Afinitatea dintre componenţi:- liofile (afinitate între solvit - solvent)- liofobe (nu exista afinitate între solvit şi solvent)În organism există toate cele trei clase: soluţii adevărate, coloizi, suspensii. De exemplu sângele este:- soluţie pentru cristaloizi (Na, Cl, K..)- coloid (proteine: serumalbumine, globuline..)- dispersie (elemente figurate)În sistemele biologice prezintă interes deosebit cazul în care dispersantul este lichid.

Soluţii moleculare (adevărate)Soluţie moleculară - caz limită al unei dispersii în care componenta dispersată ajunge la nivel molecular. Soluţia moleculară - amestec omogen cuprinzând mai mulţi constituenţi dintre care unul este numit solvent iar ceilalţi - solviţi. Dacă unul dintre constituenţi este lichid, acesta este solventul. Dacă doi sau mai mulţi constituenţi sunt lichide, solventul este, prin definiţie, cel care se află în cantitatea cea mai mare. Excepţie, apa, care este întotdeauna solventul

Noţiuni generale privind lichidele.

Apa este substanţa chimică cea mai larg răspândită pe glob - 70% din suprafaţa planetei. Organismele vii au, de asemenea, un conţinut în apă de acelaşi ordin de mărime (50% formele sporulate ale bacteriilor, 97% celenteratele) şi se consideră că viaţa a apărut în mediul acvatic. Starea de agregare a apei este, la temperaturile la care organismele vii îşi desfăşoară existenţa, preponderent cea lichidă. De aceea vor fi prezentate mai întâi câteva aspecte privind proprietăţile lichidelor

Forţe şi legături intermoleculare în lichide.

Moleculele lichidelor interacţionează în general prin forţe de tip Van de Waals. Legăturile Van der Waals se întâlnesc în cazul dipolilor electrici. Într-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 în timp, acest comportament dipolar dispare în cazul moleculelor perfect simetrice. În general, moleculele se pot comporta ca dipoli permanenţi sau induşi (în prezenţa unor câmpuri electrice exterioare moleculele nepolare pot deveni dipoli induşi). Dintre dipolii permanenţi se pot menţiona apa, lipidele, proteinele etc.Interacţiunile Van der Waals pot fi, în funcţie de caracterul dipolului, de tip:- dipol instantaneu - dipol instantaneu;- dipol instantaneu - dipol permanent; - dipol permanent - dipol permanent.Energia acestui tip de legături este proporţională cu 1/r6 (r- distanţa dintre molecule), iar forţa cu 1/r7. Un alt tip de legături întâlnite la lichide sunt cele coordinative (mai puternice). În acest caz există o suprapunere parţială a norilor electronici ai moleculelor. Între moleculele lichidelor există şi forţe de repulsie datorate respingerii sarcinilor de acelaşi fel. Aceste forţe sunt proporţionale cu 1/r13.

În funcţie de natura legăturilor pe care le conţin, lichidele sunt:- simple (conţin numai legături Van der Waals - exemplu, alcoolul);- complexe (în afara legăturilor van der Waals conţin şi alte legături, mai ales de tip coordinativ - exemplu, apa).Un grup special îl constituie cristalele lichide în care legăturile intermoleculare realizează structuri ordonate unidimensional şi chiar bidimensional, extinse pe distanţe mari.

Structura moleculară şi proprietăţile fizice ale apei.

Structură.O moleculă de apă - H2O - conţine 2 atomi de hidrogen şi un atom de oxigen, dispuşi ca

în figură. Oxigenul este legat covalent de cei doi atomi de hidrogen, unghiul dintre legături fiind 1050, iar lungimea legăturii de 0,99 Å (fig.).Electronii moleculei de apă, în total 10, sunt repartizaţi în modul următor :- 2 electroni în apropierea oxigenului;

- 2 perechi care se rotesc pe două orbite aflate în plan perpendicular pe planul moleculei de apă, având nucleul de oxigen în focare. Aceştia se numesc electroni neparticipanţi deoarece nu participă la legătura covalentă;- 2 perechi de electroni care se rotesc pe două orbite ce înconjoară legătura dintre oxigen şi hidrogen, în planul moleculei de apă (planul format de cele trei nuclee). Prin aceşti electroni se realizează legătura covalentă. Această dispunere a orbitelor determină structura tetraedrică a moleculei de apă, cu nucleul oxigenului în centru şi cei doi protoni, respectiv cele două perechi de electroni neparticipanţi în vârfuri.

Proprietăţile fizice ale apei.

Apa are proprietăţi fizice speciale, care se explică prin caracterul ei dipolar şi prin capacitatea de a forma legături de H. Dintre cele mai importante pentru sistemele biologice se pot menţiona:-căldură specifică mult mai mare decât cea a oricărei substanţe solide sau lichide; este foarte importantă în procesele de termoreglare la nivelul organismului viu. De exemplu, eforturi musculare intense ar putea duce la o supraîncălzire.-conductibilitate termică de câteva ori mai mare decât cea a majorităţii lichidelor : “amortizor termic” al apei în organism;

- căldură latentă de vaporizare mult mai mare decât a altor lichide: factor determinant al homeotermiei (răcirea corpului prin evaporare pulmonară şi transpiraţie);- densitate maximă la 40C - importantă pentru viaţa acvatică;- constantă dielectrică foarte mare - favorizează disociaţia electrolitică;- tensiune superficială mare (fenomene interfaciale, capilaritate).

Modele ale structurii apei în starea lichidă.

Trecând de la starea solidă caracterizată printr-o reţea cristalină de prisme hexagonale (fig.) (fiecare moleculă coordinează alte 4 molecule), în starea lichidă, apa capătă o structură complexă, în care existenţa legăturilor de H îi conferă anumite proprietăţi speciale.

Pentru a le explica s-au elaborat câteva modele care, însă, nu reuşesc să clarifice complet caracteristicile şi proprietăţile apei. Ele pot fi utile pentru o descriere a comportamentului apei în unele situaţii. Dintre acestea:

- modelul reţelei cristaline parţial distruse - datorită agitaţiei termice, unele legături de H se rup - apar domenii microcristaline între care circulă moleculele libere. Între 00 - 40C densitatea creşte datorită pătrunderii moleculelor de apă şi printre ochiurile microreţelelor intacte.

- modelul grămezilor temporare - se bazează pe ipoteza cooperativităţii legăturilor de H. Formarea unei legături de H facilitează formarea altora şi invers, ruperea facilitează desprinderea altor molecule. Apa - grămezi de molecule, formarea şi distrugerea lor succedându-se cu mare rapiditate (fig.);

-modelul clatraţilor - în anumite condiţii o moleculă de apă se poate comporta ca o moleculă hidrofobă, devenind centrul unui dodecaedru cu feţe pentagonale, în colţurile căruia se află molecule de apă - clatrat (fig.);

- modelul legăturilor flexibile - rearanjarea moleculelor de apă se face nu prin ruperea, ci prin îndoirea legăturilor de H.

Structura apei în sistemele biologice

Organismul uman are un mare conţinut în apă (65-70%). O mare parte a apei din organism manifestă proprietăţi fizice deosebite: se evaporă foarte greu, îngheaţă la temperaturi mult sub 00C, nu dizolvă cristaloizii, nu participă la osmoză- aceasta este apa legată. Problema apei în structurile vii nu este complet elucidată. Existenţa apei legate se explică prin prezenţa unui mare număr de specii moleculare, macromoleculare şi ionice, care structurează apa din jur. O mare parte a apei intracelulare prezintă un grad superior de ordonare. Această ordonare are un rol important în desfăşurarea proceselor celulare (excitaţie, contracţie, diviziune, secreţie etc). O serie de studii au arătat ca apa este “compartimentalizată”: există apă liberă, apă parţial legată şi apă legată, fiecare din aceste compartimente având proprietăţi specifice. Dată fiind importanţa apei în desfăşurarea proceselor biologice, există un mare număr de tehnici care permit studiul proprietăţilor acesteia în organismul viu.

Fenomene de transport în soluţiiExistenţa unor forţe termodinamice într-un sistem duce la apariţia unor fluxuri

termodinamice. Exemplu: datorită unor gradienţi de concentraţie, potenţial, presiune, are loc un transport de substanţă orientat spre atingerea unei stări de echilibru termodinamic. În cazul soluţiilor există două moduri de realizare a transportului: difuzia şi osmoza.

Difuzia simplă.Existenţa unor diferenţe de concentraţie într-o soluţie (sau de presiuni parţiale la gaze)

determină un transport de substanţă de la regiunile cu concentraţie (presiune) mai mare spre cele cu concentraţie mai scăzută. Acest fenomen se realizează prin agitaţie termică. Difuzia este descrisă de legile lui Fick:

Difuzia prin membraneMembrana- peliculă de grosime neglijabilă faţă de aria suprafeţei, care desparte două medii având caracteristici fizico-chimice diferite. În funcţie de particularităţile difuziei există:- membrane permeabile (egal permeabile- pentru toţi componenţii şi inegal permeabile, cu permeabilităţi diferite pentru diferiţi componenţi)- selectiv permeabile - trecerea numai a unor componenţi- semipermeabile - numai a solventului- ireciproc permeabile - solvitul numai într-un sens.

Membrane permeabileMembrana separă două compartimente care conţin aceeaşi soluţie în concentraţii diferite - gradientul de concentraţie se manifestă practic numai la nivelul membranei (viteza de deplasare a solvitului prin membrană este mult mai mare

OsmozaÎn cazul membranelor semipermeabile care separă soluţii de concentraţii diferite se

produce o difuzie a solventului dinspre soluţia mai diluată spre cea mai concentrată (ca şi cum solventul ar fi mai concentrat). Fenomenul se numeşte osmoză - se datorează agitaţiei termice (fig).

Structura membranei celulare.

Membrana (7,5 nm) - ansamblu de structuri supramoleculare aflat la periferia celulei (sau a organitelor celulare) care separă mediul intern de cel extern (celular de interstiţial) şi care îndeplineste diferite funcţii legate în special de procese metabolice fundamentale. Membranele vii au proprietăţile de semipermeabilitate şi selectivitate. Datorită acestor proprietăţi ele nu reprezintă simple bariere care separă 2 medii cu proprietăţi diferite, ci structuri active care asigură:- transportul unor molecule, ioni, macromolecule, complexe supramoleculare, dintr-o parte în alta a ei;- traducere şi transfer de informaţie adusă de diferiţi stimuli (mecanici, electrici, electromagnetici, chimici, termici etc.) prin receptorii specifici pe care îi conţine;- interconversia diferitelor forme de energie, prin enzimele sau complexele enzimatice pe care le conţine.Actualmente se acceptă că, în general, structura membranei celulare este cea descrisă de modelul mozaicului fluid proteolipidic al lui Nicholson şi Singer (1972). Conform acesui model, membrana este formată dintr-un bistrat lipidic, în care sunt înserate proteine şi glicoproteine

Clasificarea modalităţilor de transport membranar1. Macrotransport (endocitoza, transcitoza, exocitoza):

- fagocitoza - pinocitoza

2. Microtransport - pasiv - activ

1. Fagocitoza - proces în care celula înglobează particule de substanţă solidă, învelite în pseudopode (prelungiri citoplasmatice) care fuzionează în spatele lor.

Pinocitoza - învelirea picăturilor de lichid şi macromoleculelor într-un bistrat lipidic şi formarea de vezicule care fuzionează cu membrana celulară şi prin aceasta pot fi transportate dintr-o parte în cealaltă a membranei.

Exemple: - în terminaţiile nervoase şi celulele secretorii (exocitoză)(acetilcolina)- trecerea proteinelor plasmatice din sânge în spaţiul extravascular - transcitoză prin

endoteliul capilar.2. Transportul pasiv - deplasarea moleculelor şi ionilor în sensul gradientului electrochimic sau de presiune - aparent fără consum de energie metabolică. Aparent, deoarece gradientul electrochimic respectiv este rezultatul unor procese anterioare realizate cu consum de energie.

Difuzia simplă se produce prin dizolvarea speciei moleculare transportate în membrană şi depinde de raportul dintre solubilitatea substanţei respective în bistratul lipidic şi solubilitatea ei în apă, deci de coeficientul de partiţie .

Difuzia facilitată - se face prin utilizarea unor molecule transportoare existente în membrană sau introduse artificial în aceasta. Asemenea molecule transportoare au o anumită specificitate, recunoscând specia moleculară sau ionică pe care o transportă. Există transportori pentru glucoză, colină, pentru diferiţi ioni (în acest caz transportorul se numeşte ionofor). Transportorii

pot distinge speciile levogire de cele dextrogire. Ei acţionează în sensul gradientului electrochimic. Mecanismul de transport se bazează pe proprietatea transportorului de a se putea găsi în două stari conformaţionale T1 şi T2.

Molecula transportată (substratul S) se leagă pe una din feţele membranei. Se produce în urma legării o modificare conformaţională în starea T2 şi situsul de legare este expus părţii opuse (diagrama) cu scăderea afinităţii pentru specia respectivă şi eliberarea acesteia. Prin eliberare se revine la conformaţia iniţială şi ciclul se repetă. Procesul se desfăşoară conform cineticii Michaelis-Menten pentru reacţiile enzimatice. Un exemplu de ionofor este antibioticul valinomicină, moleculă hidrofobă care poate încorpora ionii de K+, translocându-i prin membrană (şi Rb, mai slab). Valinomicina face ca ionii de K+ să iasă din celula bacteriană, provocându-i moartea. Nigericina (K+, H+, schimb neutru).

Difuzia prin canale ionice şi pori. Canalele ionice sunt proteine specializate care străbat bistratul şi permit trecerea unor substanţe care nu sunt liposolubile. Permit trecerea ionilor în ambele sensuri şi sunt selective. Pori - structuri neselective, contează doar diametrul particulei. Specia transportată se leagă de proteina canal, formând un complex enzimă- substrat care evoluează pe baza cineticii Michaelis-Menten. Pentru ca ionul să treacă dintr-o parte în cealaltă este necesar ca un canal să fie deschis.

Transportul activ - formă de transport care necesită energie metabolică - cuplare energetică imediată.

Transportul activ primar.

Se realizează cu ajutorul pompelor ionice membranare, structuri proteice transportoare din clasa proteinelor integrale. O pompă ionică este caracterizată prin prezenţa unui centru activ cu acces alternativ spre partea extracelulară şi spre cea citoplasmatică. Accesul este modificat ca urmare a unei tranziţii conformaţionale. Cea mai cunoscută pompă ionică este Na+,K+- ATP-aza.

Transportul activ secundarPătrunderea speciilor transportate într-un compartiment (extra, intra) împotriva gradientului lor electrochimic, prin asocierea cu molecule care se deplasează normal conform propriului lor gradient de concentraţie. Gradientul este însă menţinut prin transport activ primar. Transportorul întâlnit în difuzia facilitată poate lega cele două molecule fie în aceeaşi stare conformaţională (pe aceeaşi parte) - simport sau co-transport, fie pe cele două părţi, în stări conformaţionale diferite - antiport (contra-transport).

Simport - enzima leagă pe aceeaşi parte, în T1, ambele specii şi suferă tranziţia T1 - T2 numai după legarea ambelor. Exemplu: glucoza în celulele mucoasei intestinale se asociază cu Na+ care intră pasiv. Ionii de Na+ sunt eliminaţi activ prin transport primar, prin hidroliza ATP. Glucoza rămâne - transport electrogenic.

Antiport - proteina transportoare leagă în starea T2 un alt ion decât cel care suferă difuzia facilitată, care va fi evacuat în compartimentul în care potenţialul lui electrochimic este mai mare. Exemplu: muşchiul cardiac - antiport 3 Na+/ 1 Ca++ - electrogenic (sarcina netă +1). Asigura concentraţia scăzută a Ca++ în interior pe seama pompării active a Na+.