cursuri - TD

download cursuri - TD

of 80

Transcript of cursuri - TD

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    1/80

    1

    INTRODUCERE

    Dup cum are n exprimare noiunile de bio i fizic, se nelege c aceast tiin sedefinete prin implicarea mecanismelor fizice n funcionarea normal i patologic a diferiteloresuturi i organe din organismul uman.

    O alt definiie, de altfel identic, este aceea c biofizica este tiina care studiaz

    fenomenele fizice implicate n funcionarea sistemelor biologice prin utilizarea de tehnici, conceptefizico chimice i aparate matematice prin care acestea sunt interpretate. Pe baza acestora biofizicaelaboreaz strategii si tehnici de diagnostic i terapie.

    Scopurile biofizicii medicale pot fi ordonate n patru grupe:1. pe baza fundamentelor biofizicii se ncearc formarea gndirii medicale i biologice

    a viitorilor medici2. adncirea cercetrii fundamentale n principalele ei direcii de investigare biofizic3. o cercetare practic prin utilizarea calculatoarelor n investigaii de laborator si chiar

    clinic4. lrgirea perspectivelor biofizicii n formele de nvmnt

    nceputul dezvoltrii Biofizicii poate fi considerat odat cu apariia necesitii intervenieiomului asupra sistemelor vii. Nu putem face o separare ntre tiine la nceputul apariiei lor. Se

    cunosc operaii chirurgicale asupra omului din cele mai vechi timpuri. Aceste operaii necesitauaparatura sau instrumentar special, deci era nevoie de a cunoate aspecte tehnice i fizice.La nceput nu se fcea deosebirea dintre fizician, medic, alchimist, inginer, artist.Denumirea de Biofizic ca obiect apare ns mult mai trziu, prin preluarea Fizicii medicale

    i schimbarea coninutului datorit evoluiei tehnologiilor (n special n electronic i apoi ninformatic).

    LOCUL BIOFIZICII N CADRUL TIINELOR VIEII

    Biofizica este o tiin fundamental care studiaz biologia prin aplicarea legilor, tehnicilori metodelor fizicii, deducnd tehnici i metode noi de investigare ct i legiti specifice acestuidomeniu. De asemeni studiaz i influena factorilor fizici externi asupra sistemelor biologice

    (radiaii ionizante i neionizante, temperatur, ultrasunete, cmp magnetic i electric, gravitaie,etc.).

    Biofizica este succesoarea fizicii medicale i fizicii biologice, fiind un domeniu de sinestttor de aproximativ 5-6 decenii, dei din punct de vedere istoric putem vorbi de unele fenomene

    biofizice cunoscute de ctre vechii egipteni.Biofizica medical are un rol foarte important n cunoaterea i aplicarea tehnicilor fizicii n

    toate domeniile medicale, att n cercetare ct i n aplicaiile n aceste domenii. Majoritateadomeniilor fundamentale ale medicinii fac apel la biofizica (fiziologia, fiziopatologia, anatomia,

    biochimia, biologia celulara, histologia, etc.).Medicul, indiferent de specialitatea sa, va trebui sa fie o personalitate avnd cunotine

    multiple att din tiinele exacte (fizica, matematica, informatica, bionica, biometrologie etc.) ct idin tiinele umaniste (filozofie, psihologie, arte, pedagogie i orice alt domeniu al culturii umane).

    Pentru a nelege mai corect delimitarea domeniilor de cercetare aplicate biologicului,considerm pe cele mai importante.

    Biochimia studiaz biologia la nivel molecular deoarece biochimia provine din chimie carese limiteaz n cercetare la nivel molecular (dei apare o interferen ntre biochimia cuantic i

    biofizica cuantic).Biologia este definita prin studiul la nivel celular cu toate ca descoperirile actuale au ajuns i

    la nivel subcelular i la nivel de biologie molecular.Fizica studiaz materia vie la nivel atomic, electronic i cuantic.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    2/80

    2

    n general se consider sistemul viu n echilibru termodinamic, cu toate schimburile care serealizeaz permanent cu exteriorul. Este deci un echilibru al unui sistem deschis, cu schimb dematerie i energie i meninut n echilibru de reaciile de feed-back.

    Biofizica studiaz i domenii ca recepia i conducerea informaiei n sistemul nervos,informaia genetic, interaciunea radiaiilor cu sistemul biologic.

    SCURT ISTORIC AL EVOLUIEI BIOFIZICII Leonardo da Vinci studii asupra zborului psrilor, asupra mecanismelor mersului (nlocuind

    cu cercuri elastice muchii de pe schelet); asupra hemodinamicii. Explic funcionarea ochiului pe principiul camerei obscure. Descoper rolul de lentil a cristalinului i explic formareaimaginii pe retin. Explic perceperea reliefului ca efect al vederii binoculare.

    Giovanni Alfonso Borelli cercetri de biomecanic. El considera procesele fiziologicerezultnd din principii fizice i mecanice. De asemenea descrie funcia scheletului i amuchilor.

    Luigi Galvani studii referitoare la excitabilitatea muchiului de broasc izolat, iniiind studiide bioelectricitate. n experimentele lui a utilizat o lab de broasc la care a pstrat intact nervul

    sciatic, a izolat-o, iar apoi a fixat-o cu ajutorul unui fir de cupru de partea din fier a balconului.La btaia vntului, prin contactul pe care l fcea laba cu fierul balconului aprea contraciamuscular. Explicaia este urmtoarea: ntre cele dou metale apare o diferen de potenial de

    bimetal care produce contracie muscular prin excitaie electric. Aceasta lab de broasc a fosti primul instrument de determinare a unor poteniale electrice, numindu-se labagalvanoscopic;

    Alessandro Volta a fost unul din fondatorii electrofiziologiei i electrochimiei. El a inventat nanul 1800 prima baterie electric din istorie, aa-numita pil voltaic strmoul bateriilorelectrice, ce permitea transformarea energiei chimice n energie electric. Aceasta era o coloanvertical compus dintr-o succesiune de 1 disc de cupru/ 1 disc de hrtie mbibat n soluiesalin/ 1 disc de zinc. La extremitile coloanei era ataat cte un fir metalic ntre care se

    producea un curent electric continuu de joas intensitate. Thomas Young, fizician i medic englez, a realizat studii n optic i a propus teoria

    tricromatic a vederii colorate valabil i n prezent n toate aplicaiile (TV color, etc). Tot el ainiiat studiile de hidrodinamic a circulaiei sanguine;

    Du Bois Reymond a realizat n 1848 primele nregistrri a potenialului de aciune. Hermann Helmholtz a realizat studii n care a msurat cu precizie remarcabil viteza de

    propagare a influxului nervos cu privire la contracia muscular i la perceperea sunetelormuzicale (celebre sunt studiile de acustic a tuburilor rezonante, a cavitilor acustice rezonante,a transmiterii sunetului, inventnd practic stetoscopul) ct i studii de matematic i de fizicaplicat. Lucrrile sale din 1860 asupra vederii si auzului au pus bazele fizice ale abordriisenzoriale. El a descoperit faptul c energia se consum att n sistemele vii ct i n cele neviiiniiind astfel termodinamica biologic.

    Julius Robert von Mayer stabilete legea conservrii i transformrii energiei, elabornd n1842 principiul I al termodinamicii (variaia energiei interne a sistemului este egal cu diferenadintre cantitatea de cldur schimbat de sistem cu mediul nconjurtor i lucrul mecanicefectuat asupra sistemului). Acest principiu a fost dedus de la o observaie cu caracter medicalcare se refer la diferenele de oxigenare a sngelui n zone climatice diferite, fenomen cedepinde de arderile energetice din organism;

    n 1895 descoperirea razelor X de Wilhelm Conrad Rntgen a dus la apariia specialitiimedicale radiologia, studiind aciunea radiaiilor X asupra organismului prin efecte mutagenei efecte radiobiologice.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    3/80

    3

    Bazele teoretice ale biofizicii s-au mbogit prin elaborarea in 1968 de ctre Bernstein a primeiteorii ionice care s explice originea diferenelor de potenial la nivelul membranei biologice.

    Primul periodic dedicat Biofizicii apare n 1902, iar n 1939 apare Buletinul Biofiziciimatematice (la Chicago USA). Din 1947 apare la Amsterdam Biochemica et Biophysica Acta.Un alt jurnal de prestigiu apare n 1956 n SUA Biophysical Journal.

    n 1961 se nfiineaz Societatea de Biofizic a Uniunii Societilor de tiine Medicale dinRomnia .n 1989, n decembrie apare Societatea Naional de Biofizic pur i aplicat.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    4/80

    4

    ATOMUL

    Dilema continuitii sau discontinuitii materiei a aprut din timpul filozofilor greci.Leucip a fost primul care a analizat problema divizrii materiei, deci a discontinuitii

    acesteia. El a susinut faptul c indiferent ct de mult ncercm s divizm materia, la un moment

    dat ajungem la un fragment ce nu mai poate fi divizat.Unul dintre elevii lui Leucip, Democrit a denumit atomos (n limba greac atomosnseamn indivizibil) aceste particule ce nu mai pot fi divizate.Astfel, atomul reprezint cea mai mic fraciune indivizibil dintr-o substan ce pstreaz

    proprietile acesteia.Democrit considera ca universul este format din spaiu liber i din particule indivizibile,

    numite atomi care difer ntre ei prin dimensiune, form, poziie i aranjare spaial.Atomismul a fost respins de Aristotel i Platon care susineau teoria continuitii materiei.Ipoteza existenei atomilor nu a fost complet acceptat dect la sfritul sec. al XIX lea,

    dup demonstrarea teoriei cinetice i micrii browniene.

    Structura atomului

    n general se poate afirma c atomul este format din nucleu i electroni.Numrul de electroni din atom a fost determinat experimental. Acesta se numete numr

    atomic i se noteaz cu Z. Numrul atomic indic poziia elementului chimic n sistemul periodic.Atomul este neutru din punct de vedere electric. Deci, conine n numar egal sarcini pozitive

    i negative. Sarcinile negative sunt reprezentate de electroni iar sarcinile pozitive se afl n nucleu.Exceptnd hidrogenul, celelalte elemente chimice conin n nucleu, pe lang protoni i un

    numr variabil de neutroni. Masa neutronilor i masa protonilor formeaza numrul de mas, A, alelementului respectiv.

    Pentru acelai element chimic numarul de neutroni din nucleu poate fi variabil. Acest lucrunu modific proprietile chimice ale elementului i nici poziia sa n sistemul periodic.

    Numrul diferit de neutroni din nucleu confer elementului chimic proprieti fizice diferite.Elementele chimice cu acelasi numr atomic Z, dar cu numere de mas diferite se numescizotopi (n limba greac izotop nseamn acelai loc).

    Electronul

    Electronul este sarcina electric indivizibil.Primul experiment care a demonstrat c sarcina electric nu este divizibil la infinit, ci este

    divizibil n unitai discrete, a fost efectuat de Faraday n 1833. n urma acestui experiment au fostdeduse legile electrolizei.

    Faraday a evideniat faptul c masa unei substane dintr-o soluie eliberat la un electrodntr-un anumit interval de timp este proporional cu cantitatea de electricitate ce a trecut prin

    soluie n acel interval de timp.De asemeni, tot Faraday a demonstrat c o cantitate dat de electricitate elibereaz aceeaimas dintr-o substan dat. Masa de substan eliberat este proporional cu masa echivalent asubstanei.

    Rezultatele experimentelor lui Faraday presupuneau existena unei uniti elementare deelectricitate, cantitatea de electricitate purtat de diveri ioni fiind multipli ai acestei uniti. Aceastunitate a fost denumit de ctre Stoney (in 1874) electron, definind-o ca fiind cantitatea deelectricitate ce trebuie s treac printr-o soluie electrolitic pentru a elibera un atom dintr-osubstan monovalent.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    5/80

    5

    e = F/NAunde:e sarcina electronuluiF constanta lui Faraday

    NA numrul lui Avogadro

    Calculele lui Stoney au stabilit pentru electron o valoare aprox. de 10-20C.

    Primele msurtori directe asupra sarcinii electronului le-a iniiat J.J. Thomson i J.S.Townsend n 1897, valoarea exact fiind stabilit de Millikan n 1909.Valoarea sarcinii electrice a electronului este 1,6x10-19C iar masa sa este 9,11x10-31Kg.Pentru determinarea distribuiei n interiorul atomului a masei i sarcinii electrice s-au

    realizat de-a lungul timpului mai multe experimente, elaborndu-se mai multe modele atomice.Iniial s-a presupus c atomii sunt omogeni, neutri din punct de vedere electric i

    indestructibili cu mijloace fizice obinuite. J. J. Thomson a descoperit c electronii provin din atomi, dat fiind faptul c atomii sunt electric neutri, a presupus existena unor sarcini pozitive. El a

    presupus c electronii se gsesc distribuii uniform n interiorul sarcinii pozitive.Experimentele lui Rutherford au demonstrat c sarcina electric pozitiv nu este distribuit

    uniform n atom ci este concentrat n centrul atomului constituind nucleul atomic iar electronii sedispun spre periferia atomului. Astfel se confirm modelul planetar al atomului n care sarcina

    pozitiv a atomului este concentrat ntr-un nucleu cu raza de aproximativ 10-14m i electronii serotesc n jurul acestuia pe orbite cu razele de aproximativ 10-10m, astfel nct atomul estemai multgol dect plin (de exemplu dac nucleul ar avea diametrul de un metru atomul ar avea diametrulntre 10 i 100 km). Conform modelului Rutherford electronii se rotesc n jurul nucleului ca

    planetele n jurul soarelui (modelul planetar).

    Modelul Thomson

    Modelul planetar (Rutherford)

    Dificultatea de baz a modelului planetar clasic const n stabilitatea atomului.Dac avem n vedere legile electrodinamicii clasice, electronii, rotindu-se n jurul nucleului

    au o miscare accelerat. Ori, o particul ncrcat electric care are o micare accelerat emiteradiaie electromagnetic ncercnd s-i micoreze energia cinetic. Pe msura scderii energiei

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    6/80

    6

    cinetice ar scdea i raza orbitei, energia potenial ar crete n valoare absolut i electronii arcdea pe nucleu.

    Pentru a corecta deficienele modelului planetar clasic, Niels Bohr a introdus ca postulateconcluziile impuse de datele experimentale:

    1. postulatul I: Atomii sunt caracterizai de stri staionare, stri n care acetia nu absorb i nuemit energie. ntr-o stare staionar energia sistemului este constant n timp.

    2. postulatul II: Atomii absorb sau emit radiaie electromagnetic numai la trecerea dintr-o

    stare staionar n alt stare staionar.Deci orbitele i energiile electronilor n atom sunt bine precizate (cuantificate) i specificefiecrei specii atomice.

    Electronii n atom au energii poteniale negative (nu numai c nu pot efectua lucru mecanicdar pentru a deveni liberi au nevoie de energie). Cu ct electronul este mai apropiat de nucleu cuatt energia sa potenial este mai mic (mai negativ).

    Din mecanic se tie c un sistem este cu att mai stabil cu ct energia sa potenial este maimic. Din acest motiv tendina electronilor va fi s se plaseze pe orbite ct mai apropiate de nucleu.Electronii pot trece de pe o orbit permis pe alta doar dac primesc sau cedeaz o energie egal cudiferena energiilor electronului pe cele dou orbite ntre care are loc tranziia. De obicei tranziiaare loc prin absorbia sau emisia unui foton.

    Frecvena radiaiei electromagnetice emise sau absorbite la trecerea unui electron ntre dou

    nivele energetice se poate determina prin relaia cunoscut sub numele de condiia frecvenelor luiBohr sau condiia de rezonan.

    hR = Em - Ensau

    R = (E / hunde:

    (E este diferena de energie ntre cele dou stri;R este frecvena radiaiei emise sau absorbiteh = 6,6260693(11) x 10-34J s (constanta lui Planck)

    Avnd n vedere c nivelele energetice ale electronilor n atom sunt cuantificate rezult c i

    frecvenele emise sau absorbite de atom sunt cuantificate deci spectrele de emisie sau de absorbieale atomilor vor fi spectre de linii. La trecerea electronului de pe o orbit mai ndeprtat de nucleu(superioar) pe una mai apropiat de nucleu (inferioar) electronul va ceda energie (de regul prinemisia unui foton a crui frecven trebuie s fie conform cu condiia de rezonan). Procesul senumete dezexcitare. Trecerea unui electron de pe o orbit inferioar pe una superioar se face prinabsorbia unui foton a crui frecven satisface condiia de rezonan procesul numindu-se excitare.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    7/80

    7

    MOLECULA

    Dup Lehninger, moleculele din organismele vii, studiate individual, se supun principiilorfizice i chimice obisnuite care guverneaza comportarea materiei inerte, dar studiate n ansamblu,interactioneaza ntre ele conform unui alt grup de principii care alcatuiesc logica moleculara a strii

    vii. Aceste principii nu includ, n mod necesar, legi fizice noi, nedescoperite nc. Mai degraba eletrebuie privite ca un grup de reguli fundamentale care guverneaza natura, functia i interactiiletipurilor specifice de molecule din organismele vii, proprieti ce confera acestora capacitatea de ase autoorganiza, autireplica i autoregla. Este mult mai potrivit sa consideram aceste principii caaxiome deoarece unele dintre ele sint intuitive i nu pot fi demonstrate nc.

    Compoziia chimic a materiei vii este calitativ diferit de aceea a mediului n care aceastase gsete.

    n esen, organismele vii au n constituia lor:y ioni de dimensiuni foarte mici (microioni). Dintre acetia ctm: Na+, K+, Cl- (implicai

    ndeosebi n excitabilitate), Ca2+ (implicat n contracia muscular), Mg2+ (cu rol n procesulde bioluminiscen), H+(secretat de mucoasa gastric i generator de tensiuni protonmotricen anumite microorganisme), HCO3

    - , HPO42-, OH-.

    y micromolecule (neutre sau disociate): aminoacizi, mononucleotide, monozaharide, acizigrai, etc.

    y macromoleculey complexe macromoleculare

    STRUCTURA FIZIC A MOLECULEIMolecula este o grupare de atomi ce formeaz o configuraie stabil datorit forelor de

    interaciune dintre ei. Aceste fore de interaciune se numesc fore interatomice. Forele care seexercit ntre molecule poart numele de fore intermoleculare. Forele interatomice iintermoleculare deriv din faptul c toi atomii conin sarcini electrice de semne contrare. Foreledezvoltate sunt de natur electrostatic.

    Wp

    r0r

    Condiiile de formare a moleculei se realizeaz cnd forele de atracie dintre atomisunt egale cu cele de respingere, iar energia potenial este minim.

    Fore interatomice i intermoleculare

    Forele care acioneaz ntre elementele ce formeaz biomolecula se numesc foreintramoleculare (n interiorul moleculei) sau fore interatomice. Aceste fore se pot msura cumetode specifice, cum ar fi: Rezonana Magnetic Nuclear, Rezonana Electronic de spin sauDifracia de raze X.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    8/80

    8

    Forele interatomice(intramoleculare) sunt:1. Legtura ionic este de natur electrostatic. Fora de legtur se poate determina, teoretic,

    prin legea lui Coulomb - mrimea forei aplicate unei sarcini, q1, datorit prezenei unei altesarcini, q2:

    n care I este constanta dielectric a mediului n care se gsesc corpurile, iar r distana dintre ele.Ecuaia se aplic n cazul corpurilor macroscopice. n cazul atomilor i moleculelor legea nu

    se poate aplica deoarece nu exist constanta dielectric ntre doi atomi. n acest caz apar forespecifice ntre atomii constituieni ai unei molecule.

    2. Legtura covalent este legtura n care doi atomi cedeaz i primesc electroni de valenformnd un nivel electronic stabil. (un atom cedeaz un electron, cellalt atom primete unelectron).Caracterele generale ale legturii covalente sunt:

    este o legtur de distan mic. Distana dintre doi atomi este inferioar razei deinteraciune interatomic;

    are caracter de saturaie. Odat format legtura dintre doi atomi, perechile

    electronice nu mai permit alte legturi; cristalele covalente sunt foarte dure(diamantul).n legturile covalente formate ntre atomi diferii, perechea de electroni de legtur nu este

    repartizat simetric ntre cei doi atomi, ci este atras spre atomul mai electronegativ; legtura captun moment de dipol. Dipolmomentul legturii va fi cu att mai mare cu ct diferena deelectronegativitate este mai mare.

    3. Legtura coordinativ este o legtur format din doi electroni pui n comun. Electroniisunt furnizai de acelai atom, pentru completarea nivelului energetic extern. Ca exemplu,

    poate fi luat oxigenul, care poate realiza dou legturi covalente dar poate fi i receptorpentru o legtur coordinativ.

    4. Legtura metalic este o legtura puternic realizat cu electroni pui n comun caregenereaz i electroni liberi de conductibilitate.

    Forele intermoleculare sunt forele ce se exercit ntre moleculele ce formeaz ostructur biologic (forele Van der Waals i legturile de hidrogen). Aceste fore sunt mai micidect forele intramoleculare, dar efectul lor devine semnificativ datorit numrului mare deinteracii de acest fel. Energia mic corespunztoare acestor fore permite ruperea i formarea lordestul de uor, ceea ce condiioneaz funciile biologice ale biomacromoleculelor. Foreleintermoleculare sunt de natur fizic, ele influeneaz proprietile fizice ale substanelormoleculare i sunt modificate prin dizolvare sau prin modificarea strii de agregare.

    Forele intermoleculare apar n urma interaciilor dintre dipoli sau dintre dipoli i ioni.Dipolul electric este un sistem format din dou sarcini electrice egale i de semn contrar,

    aflate la distanta d una fa de alta.Dipoli permaneni. n biofizic se ntlnesc n mod frecvent biomolecule care sunt, din

    punct de vedere electric, dipoli permaneni. Acestea au o structur dipolar n absena oricrei foreexterne. Ex. aminoacizii, proteinele i lipidele au acest caracter datorit distribuiei de grupri desarcin pe suprafaa biomoleculelor.

    Dipoli indui. Se consider un atom (sistem neutru din punct de vedere electric) napropierea cruia se gsete un ion pozitiv. Ionul va exercita o for de atracie asupra electronilor io for de respingere asupra nucleului atomului. Atomul se va deforma, adic se produce o uoarseparare a sarcinilor pozitive i negative din atom, lund natere un dipol. Acesta se numeste dipolindus deoarece exist att timp ct ionul exist n jurul atomului.

    Dipoli tranzitorii. n general, ntr-un atom sau molecul electronii sunt distribuii simetricn jurul nucleului. La un moment dat, aceast simetrie poate s se modifice, formnd un dipol.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    9/80

    9

    Deoarece electronii sunt n continu micare, existena dipolului este condiionat de probabilitateaasimetriei i distribuiei electronice i dureaz att timp ct dureaz aceasta. Un astfel de dipol senumeste dipol tranzitoriu.

    Dac un astfel de dipol se afl n apropierea unei molecule, atunci poate induce n aceastadipoli a cror orientare i moment s depind de dipolul tranzitoriu.

    n biomolecule se pot induce muli dipoli tranzitorii i efectul lor fiind cumulativ, foreledispersive pot avea mare importan.

    1. Forele Van der Waals sunt fore electrice ce se exercit ntre dipoli; sunt mult mai slabedect forele ionice i scad repede cu distana (cu puterea a aptea a distanei). 7

    1

    rF}

    Aceasta nseamn c ele intervin la distane intermoleculare mici (sunt neglijabile n stareagazoas). Legturile chimice sunt mult mai slabe dect ele, deci nu sunt implicate n modificrilestructurii i proprietile moleculei.

    2. Legtura de hidrogen este un caz particular al interaciei dipol-dipol.O molecul format dintr-un atom de hidrogen i un atom electronegativ prezint o legtur

    covalent cu caracter parial ionic. Se formeaz un dipol cu sarcina negativ spre atomulelectronegativ i sarcina pozitiv spre atomul de hidrogen. Dac n apropierea acestui dipol segsete un alt atom, atunci ntre atomul respectiv i dipol se realizeaz o legtur determinat deatracia dintre proton i electronii atomului. Legtura format dintre dipol i atom se numetelegtur de hidrogen.

    Sunt dou tipuri de legturi de hidrogen: intramoleculare i intermoleculare.Legturile de hidrogen se rup la creterea temperaturii, scderea presiunii sau la adugarea

    de solveni nepolari. Ele particip la construcia structurilor moleculare (proteine, acizi nucleici) i areelelor cristaline ale multor substane: ghea, carbonat de sodiu NaHCO3 (praf de copt),monopotasiu fosfat KH2PO4, hidroxid de aluminiu Al(OH)3, sulfat de calciu dihidrat CaSO42H2O (gips) i ali cristalohidrai, etc.

    Legtura de hidrogen are urmtoarele caracteristici:y distana dintre atomi este foarte mic

    y este de natur electrostaticy energia legturii de hidrogen este mai mare dect energia legturii dipol-dipol (Van der

    Waals) i este mai mic dect legtura covalent.y Este mai lung dect legtura covalent i mai scurt dect legtura Van der Waals

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    10/80

    10

    MACROMOLECULE BIOLOGICE

    Datorit descoperirii ultracentrifugei, n 1933, de ctre T.Svedberg s-a putut trece la studiulmateriei vii la nivel molecular i macromolecular. Prin utilizarea unor metode moderne aleBiofizicii i Biochimiei, apare o nou tiin, Biologia molecular. Aceasta a deschis calea

    explicrii proceselor normale i patologice din organism, la nivel molecular.n definirea unei macromolecule se accept drept criteriu greutatea molecular. Se considercompui macromoleculari, substane a cror mas molecular depete 5000u.

    Macromoleculele sunt:y Proteine (heteropolimeri de aminoacizi)y Acizi nucleici (heteropolimeri de nucleotide)y Polizaharidey Lipide

    Dei masele moleculare ale lipidelor individuale sunt mici (750 1500 daltoni) ncomparaie cu celelalte clase de molecule, unele lipide se pot asocia spontan n structurisupramoleculare i uneori funcioneaz n sisteme macromoleculare, putnd fi considerate n modarbitrar macromolecule.

    Macromoleculele pot fi sintetizate natural (n celule) sau artificial, proces denumitpolimerizare sau policondensare. De exemplu:

    Prin polimerizarea sau policondensarea aminoacizilor se obin polipeptidele; Prin policondensarea glucozei rezult polizaharide de tip celuloz sau amidon.Se numesc polimeri compuii macromoleculari alctuii din grupe identicee de monomeri,

    care se repet:A-A-A-A-A

    Se numesc copolimeri compuii macromoleculari ai cror grupe de monomeri nu au ocompoziie identic:

    A-C-B-A-C-D-A-B-D-.Biopolimerii sintetizai natural au aceeai structur biochimic cu polimerii sintetizai

    artificial, dar se comport diferit din punct de vedere biofizic. Acest comportament diferit conferbiopolimerilor naturali proprieti biofizice diferite fa de polimerii artificiali, oferind posibilitateameninerii structurilor vii.

    Tipuri fundamentale de biopolimeri:

    1. Proteinele sunt macromolecule de mare complexitate alctuite din aminoacizi. Cele maiimportante proteine sunt:y Enzime: hidrolitice, de transfer, oxidaze, dehidrogenaze, etc.y Proteine de structur: keratin, colagen, fibre din testul conjunctiv.y Proteine respiratorii: hemoglobin, mioglobiny Proteine plasmatice: serumalbumine, globuline, fibrogeny Anticorpi: proteine formate ca reacie la antigeniy Hormoniy Proteinele din lapte: cazein, lactoglobulin

    2. Acizii nucleici sunt reprezentai de ADN i ARN. Acetia alctuiesc suportul informaieigenetice.

    3. Polizaharidele servesc la stocarea glucozei, aliment de baz al celulei.4. Lipidele i n mod deosebit fosfolipidele membranelor celulare.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    11/80

    11

    Clasificarea biopolimerilor

    Dup forma geometric, polimerii pot fi: Liniari Ramificai SpaialiDup rolul biologic n organism, macromoleculele pot fi:

    Biocoloizi: proteinele circulante din plasm i unele solubile din citoplasm Macromolecule de structur Macromolecule purttoare de informaie.

    Proprieti biofizice generale ale biopolimerilor

    1. Macromoleculele particip structural la nivel de membran celular la realizarea opoziiei ladifuzia liber.

    2. Sub aspect morfologic, macromoleculele stau la baza structurilor supramoleculare.3. Reaciile chimice in vivo au consum de energie mult mai mic dect in vitro datorit existenei

    enzimelor ca biocatalizatori.4. Macromoleculele au capacitate informaional: cazul acizilor nucleici.

    Organizarea structural i conformaional a macromoleculelor biologice

    Au fost puse n eviden patru categorii de structur de baz a proteinelor:1. structura primar se refer la secvena aminoacizilor n lanul polipeptidic (acizi aminai care se

    nlnuiesc n secvene bine determinate genetic. Proteinele sunt alctuite din aminoacizi legaintre ei prin gruprile COOH i NH2 cu eliminarea unei molecule de ap pentru fiecarelegtur).

    2. structura secundar care const n spiralarea sau plicaturarea lanului polipeptidic primar.Legturile intermoleculare se realizeaz prin puni de hidrogen.

    3. structura teriar din ndoirile structurii secundare i d forma moleculei proteice.

    4. structura cuaternar este rezultatul asocierii specifice prin diferite tipuri de legturi a mai multorstructuri teriare.

    Configuraia acizilor nucleici

    Acizii nucleici sunt macromolecule complexe. ndeplinesc n principal dou funcii: depoziteaz informaia genetic particip la sinteza proteinelor

    Acizii nucleici sunt reprezentai de: ADN care este suportul informaional ereditar ARN utilizeaz informaia ereditar purtat de ADN pentru a sintetiza proteinele

    Condiii de formare a moleculelor

    Molecula este o grupare de atomi ce formeaz o configuraie stabil datorit forelor deinteraciune dinte ei. Aceste fore de interaciune se numesc fore interatomice. Forele care seexercit ntre molecule poart numele de fore intermoleculare. Forele interatomice iintermoleculare deriv din faptul c toi atomii conin sarcini electrice de semne contrare. Forele dedezvoltare sunt de natur electrostatic.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    12/80

    12

    Condiiile de formare a moleculei se realizeaz cnd forele de atracie dintre atomi suntegale cu cele de respingere, iar energia potenial este minim.

    Polizaharidele Sunt rspndite att n regnul vegetal, ct i n cel animal, avnd o mare importan

    biologic. Dintre polizaharidele vegetale se menioneaz amidonul i celuloza, iar dintre cele de

    origine animal se menioneaz glicogenul. Polizaharidele se obin prin eliminarea a ,,n molecule de ap ntre mai multe molecule de

    monozaharide servesc la stocarea glucozei, aliment de baz al celulei

    Lipidele Masele moleculare ale lipidelor individuale sunt mici (750 1500 daltoni) comparativ cu

    celelalte clase de molecule, astfel c unele lipide se pot asocia spontan n structurisupramoleculare i uneori funcioneaz n sisteme macromoleculare.

    Din acest motiv pot fi considerate n mod arbitrar macromolecule. n mod deosebit sunt importante fosfolipidele membranelor celulare

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    13/80

    13

    APA N SISTEMELE BIOLOGICEApa, nu numai c reprezint ntre 70-90% din greutatea celor mai multe forme de via, dar

    constituie i faza continu a organismelor vii. Apa este considerat adesea ca un lichid inert, menits umple spaiile goale din organismele vii. n realitate ea este o substan puternic reactiv, cu

    proprieti speciale, care se deosebesc semnificativ de cele mai multe lichide obinuite.

    I.1. Rolul i repartiia apei n organism funcie de vrsta i sex

    y apa este originea i matricea vieii (Albert Szent);y constituie solventul universal att n mediul interstiial ct i n mediul intracelular;y mediu de transport al substanelor de la un organ la altul;y mediu de eliminare al produilor de dezasimilaie (prin urin i transpiraie);y mediu de dispersie;y necesar n reaciile de hidroliz;y tamponare a variaiilor de temperatur (degajare prin evaporare de caldura i rol de

    termostat prin cldura specific mare).

    y n evoluia sa ontogenetic peocentul din corpul uman descrete continuu de la 97% laembrionul de dou luni la 67 74% pentru nou nscut i 58-67% n cazul organismuluiadult. Datorit diferenierii celulare, cu fiecare nou zi de via i datorit apariieiesuturilor dense, are loc o descretere a coninutului de ap.

    I.2. Coninutul de ap al organismelor i esuturilor.

    n organism apa este coninut diferit funcie de: tipul esutului, vrst, sex.embrion n luna 2 3 4 5 6 nou nscut AdultApa % 97 94 92 85 74 67-74 58-67

    Coninutul n ap al principalelor esuturi:y Dentina - 10%;y schelet 30%;y esut adipos 30%;y cartilagiu 50%;y Ficat 70%;y esut nervos (substana alba) 70%;y Pancreas 75%;y muchi striat 76%;y inim, plmn, rinichi 80%.

    Coninutul n ap este n funcie de metabolism.

    II. Structura moleculei de ap i proprietile sale fizice particulare

    Structura moleculei de apDin punct de vedere structural, molecula de ap este o molecul triatomic format din doi

    atomi de hidrogen i un atom de oxigen, legai ntre ei prin legturi covalente.Lungimea legturii -O-H este de 0.958 iar unghiul de legtura este de 105.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    14/80

    14

    Cei 10 electroni ai moleculei de ap sunt distribuii astfel:y 2 electroni ai oxigenului (de pe primul strat) se gsesc n permanen n apropierea

    nucleuluiy 8 electroni (electroni de valen) graviteaz pe orbite eliptice alungite.

    o dou perechi de electroni se afl pe dou orbite axate pe direciile -O-H ; acetiasunt electronii ce formeaz legtura covalent;

    o dou perechi de electroni graviteaz pe dou orbite situate perpendicular peplanul nucleelor; se numesc electroni neparticipani.

    H

    H

    Prin urmare, molecula de ap are ostructur spaial tetraedric, nucleul de oxigen fiind n

    centrul tetraedrului.Datorit distribuiei asimetrice a sarcinilor, densitatea electronic maxim fiind n jurulatomului de oxigen, molecula de ap este un dipol permanent.

    Figura: Comportare ca dipol (ntre moleculele de ap vecine se formeaz legturi de Hidrogen. Fiecaremolecul formeaz dou legturi de Hidrogen)

    Datorit caracterului dipolar, molecula de ap se orienteaz n cmp electric i are constantdielectric mare

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    15/80

    15

    Datorit configuraiei dipolare a moleculei de ap se creeaz n jurul su un cmpelectrostatic intens ceea ce permite legarea cu alte molecule de ap vecine prin legturicoordinative - puni de hidrogen. Fiecare molecul de ap se poate lega coordinativ cu alte 4molecule, formnd structuri spaiale. Punile de hidrogen stau la baza structurilor supramoleculare,att n stare solid (gheaa) ct i n stare lichid. Ruperea legturilor intermoleculare se face cu unconsum de energie proporional cu intensitatea legturilor intermoleculare.

    Legtura de hidrogen

    Caracterul dipolar al moleculei de ap, dar n special punile de hidrogen, explicproprietile fizice speciale ale apei i implicaiile lor n biologie:

    1. Punctele de topire 0rC i fierbere 100rC permit o plaj mare n care proprietile apei seschimb puin.

    2. Coeficientul de vscozitate este mic ceea ce permite o deplasare a straturilor apei n modliber fr o frecare i consum de energie ntre ele.

    3. Densitate maxim la 4C. Pe fundul lacurilor temperatura apei nu scade sub aceast valoarenici iarna (apa mai dens se va duce n jos), gheaa fiind mai puin dens dect apa va pluti,iar viaa se poate dezvolta n continuare n mediul subacvatic (permite supravieuirea n apcu ghea la suprafa a petilor). Structura afnat a gheii datorit creia densitatea ei estemai mic dect a apei la 0C se datoreaz tocmai capacitii apei de a forma legturi dehidrogen;

    Structura afnat a gheii Structura apei

    4. Conductibilitate termic mai mare dect cea a majoritii lichidelor (0,59 Wm-1K-1 la20rC) i de 27 de ori mai mare dect a aerului, consecina acestui fapt fiind c apa are rol deamortizor termic n organism i permite un amortizor i transportor termic n vedereaevacurii cldurii n jurul membranelor sau altor structuri care nu poate fi evacuat princirculaie de lichide.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    16/80

    16

    5. Cldura specific (cldura necesar unitii de mas pentru a-i varia temperatura cu ungrad) mult mai mare dect cea a oricrei substane solide sau lichide (4,2 kJ/kg); aceastcaracteristic poate fi explicat prin faptul c interaciunea dintre dipolii apei nmagazineazo mare cantitate de energie intern; n termoreglarea organismului, cldura specific maremenine temperatura constant a corpului n timpul unor eforturi musculare intense care ar

    putea duce la o supranclzire i permite o stabilizare a temperaturii n diversele procesebiologice

    6. Cldura latent specific de vaporizare (cldura latent specific reprezint clduranecesar unitii de mas pentru a-i modifica starea de agregare) mult mai mare dect aaltor lichide (40,65 kJ/mol doar amoniacul are cldura latent specific de vaporizare maimare dect a apei) acest lucru fiind datorat tot capacitii apei de a forma legturi dehidrogen. Evaporarea apei este un proces consumator de cldur, aadar evaporarea

    pulmonar i transpiraia consum cldur de la organismul viu, asigurnd homeotermia7. Constanta dielectric relativI = 78,5 la 25rC (foarte mare) explic capacitatea mare de

    ionizare a substanelor dizolvate n ap i facilitarea disocierii electrolitice8. Coeficientul de difuziune (2,410-4 cm2/s) reprezint cantitatea de substan care difuzeaz

    printr-o suprafa de 1 cm2 ntr-o secund. Coeficientul de difuziune permite difuziunealiber a substanelor existente n lichidele biologice.

    9. Coeficientul de tensiune superficial mai mare dect a altor lichide (75,610-3 N/m la 0rC)scade cu creterea temperaturii, prin ruperea legturilor de hidrogen i agitaia termic.Acest lucru are un rol hotrtor n fenomenele de capilaritate.Exemplu: tedina alveolelor de a colapsa la sfritul expiraiei se datoreaz, n esen,

    tensiunii superficiale a stratului apos care cptuete epiteliul alveolar. Stabilitatea alveolar esteasigurat de surfactantul pulmonar (amestec de fosfolipide i lipoproteine) de la interfaa aer-lichidcare reduce tensiunea superficial, meninnd diferena de presiune din interiorul alveolei n cursulciclului respirator la o valoare aproximativ constant, prevenind astfel colapsarea. Surfactantul

    pulmonar particip i la ndeprtarea corpilor strini, fiind parte a sistemului imunitar pulmonar

    Pelicula de surfactant care cptuete interiorul unei alveole pulmonare

    Insuficiena acestui surfactant pulmonar sau absena sa pot provoca boli respiratorii grave: uncopil nscut prematur (dupa 28-32 sptamni de gestaie) prezint o deficien a surfactantului pulmonarcare duce la detres respiratorie manifestat imediat dup natere prin tahipnee (accelerare rapid afrecvenei respiratorii), cianoz (apariia coloraiei albstrui a pielii i a mucoaselor datorit uneicantiti inadecvate de oxigen n snge).

    Datorit proprietilor fizice i chimice excepionale, apa poate ndeplini n organism o seriede funcii:

    1. solvent universal2. reactant n reaciile de electroliz3. agent de dispersie4. produs final al reaciilor de oxidare i condensare5. vehicol de transport pentru oxigen, nutrieni i hormoni n fluidele circulante (de

    exemplu: sngele, limfa)6. lichid de flotaie pentru anumite celule libere (leucocite, eritrocite, etc)7. instrument de eliminare a toxinelor (transpiraia, urina,etc.)

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    17/80

    17

    8. tampon termic datorit marii sale clduri specifice9. protector mecanic al structurilor sensibile (sistemul nervos central, ftul)

    Prin faptul c viaa este att de condiionat de ap, acest lichid, att de comun, areproprieti cu totul i cu totul remarcabile.

    Modele de structur a gheii i a apei lichide.

    Apa poate exista n trei stri de agregare: solid, lichid, gazoas.n molecula de ap fiecare atom de hidrogen este legat de atomul de oxigen printr-o legturcovalent. Atomul de H i cel de O pun n comun fiecare un electron. Fiecare atom primete unelectron suplimentar.

    Atomul de Hidrogen va avea 2 electroni iar cel de oxigen 8 electroni periferici n loc de 6 (nanumite intervale de timp).

    Electronii sunt mai puternic atrai de Oxigen dect de Hidrogen conferindu-i starea dipolarmoleculei de ap. Acest lucru confer proprietatea de disociere a cristalelor ionice n ap.

    Legtura de Hidrogen permite formarea structurii de tetraedru cu atomul de Oxigen ncentru (cazul gheii).

    La nghearea apei se cedeaz mediului 1,44 kcal pentru o molecul de ap deoarece energialegturilor de Hidrogen la ghea este 10 kcal/mol.

    La topire 15% din legturile de H se rup. Rmn 85% legturi de H dup dezgheare deciapa mai conine configuraii spaiale de ghea.

    Starea solid (gheaa) - cu ajutorul difraciei cu raze X pe cristale de ghea s-a demonstratc moleculele de ap sunt dispuse n structur spaial tetraedric. Aceast structur este destul degoal, avnd o densitate calculat de aproximativ 0,9g/cm3.

    Un cristal de ghea este format din mai muli tetraedri dispui spaial care confer stabilitatedar i o structur suficient de goal.

    Prin topirea gheii forma tetraedric se modific, pentru modificarea configuraiei fiindnecesar cldura latent de topire. Distrugerea configuraiei de cristal face ca unele spaii din acestcristal s fie ocupate de alte molecule de ap ceea ce explic creterea densitii apei spre 4C cnddensitatea este maxim (1g/cm3). Odat cu creterea temperaturii peste 4C apare o agitaie termicsuficient de mare ce determin micorarea densitii moleculelor de ap peste aceast temperatur.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    18/80

    18

    Pentru ca o molecul de ap s nghee ea trebuie s cedeze mediului 1,44 kcal tiut fiind cenergia legturilor de hidrogen pentru ghea este de 10kcal/mol. Din acest bilan energetic se poatededuce c aproximativ 15% din legturile de hidrogen se rup atunci cnd gheaa se topete.Concluzia dedus de aici este c apa conine nc 85% legturi de hidrogen dup dezgheare deciapa mai conine configuraii spaiale de ghea.

    Pauling propune o form de cuc caracteristic pentru apa pur. n aceast configuraie omolecul de ap liber este nconjurat de 20 de molecule de ap legat prin legturi de hidrogen.

    Aceast structur poart numele de clatrat, fiind specific pentru apa la 4C.

    Structura de clatrat

    La structura apei n stare gazoas nu mai avem legturi de Hidrogen.n vederea ruperii legturilor de Hidrogen se consum cldura latent de vaporizare i rmnFore Van der Waals (fore slabe).

    Modificarea structurii moleculare a apei n prezenta solviilor

    Solvitul micoreaz de multe ori gradul de ordonare a moleculelor de ap similar cucreterea temperaturii.

    Solviii se mpart n patru categorii:1. electrolii ce disociaz n ioni i se pot hidrata;2. solvii capabili de a forma legturi de hidrogen;3. solvii ineri chimic ce realizeaz legturi hidrofobe;

    4. solvii cu diferite tipuri de grupri (polare, nepolare, proteine, macromolecule).

    Tipuri de interaciune cu apa

    Formarea de ap prin hidratare apa se dispune concentric n jurul ionului formnd primuli al doilea strat de hidratare.

    Formarea de cristale hidrai moleculele hidrofobe creeaz caviti n ap i devin moleculeinterstiiale (cazul gazelor hidrocarburice metan, sau cazul anestezicelor).

    Crearea de reele de ap n apropierea macromoleculelor (colagenul cu molecule de ap nform de reea).

    Apa ca mediu dispersant, dizolvant i ionizant

    Apa rupe coeziunea macroscopic a substanelor dizolvate.Dispersia substanelor dizolvate prin interaciunea dintre dizolvant i dizolvat se numete:

    solvatare n cazul dizolvantului i hidratare n cazul apei.

    Substanele macromoleculare organice i macromoleculare nedisociabile disperseaz n apdatorit existenei n molecula lor a legturilor hidrofobe.

    Solubilitatea lor depinde de numrul de legturi hidrofobe raportate la greutatea moleculara substanelor (glucoza, ureea).

    Datorit I = 80 (constanta dielectric a apei) electroliii introdui n ap disociaz.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    19/80

    19

    Prezena acizilor (donori de protoni) sau bazelor n ap (acceptori de protoni) modific pH-ul soluiei care variaz ntre 14 i 0.

    STRUCTURAREA MOLECULAR A APEI N BIOSISTEME

    n organismele vii apa se gsete n procente diferite, n funcie de specie i de gradul dedezvoltare ontogenetic.

    La organismele superioare apa se poate clasifica astfel:1. dup loculn care se afla n raport cu celulele:

    -apa intracelular (70%)intestiial (23%)

    -apa extracelular (30%) circulant sau vascular (7%)

    2. dup distribuia n esuturi:- apa tisular- apa extratisular (cavitar): umori apoase, sticloase, LCR, snge

    3. dup interaciunea cu macromoleculele biologice :

    - apa liber- apa legat sau structurat

    4. dupproveniena n organism :- apa exogen- apa endogen

    Cantitatea de ap din esuturi depinde de coeficientul lipocitic care este raportul dintrecantitatea de colesterol (hidrofil) i cantitatea de acizi grai (hidrofobi).Cu ct un organ sau esut constituie sediul unor procese metabolice mai intense, cu att coninutulde ap este mai mare. Deoarece anabolismul scade cu vrsta, se constat i o scdere a procentuluide ap cu vrsta: 76% la nou-nscui i 46% la femei ntre 60 i 80 ani.

    ROLUL I PROPRIETILE FIZICE ALE APEI N TERMOREGLARE

    Omul este homeoterm (cu snge cald) iar temperatura corpului ramne constant n ciudavariaiilor de temperatur ale mediului sau ale proceselor biologice cu caracter energetic.

    Pentru a menine constant aceast temperatur este necesar existena unui sistem determoreglare.

    Aportul apei n termoreglare trebuie studiat n urmtoarele condiii:1. n zona de confort termic (n jur de 25rC);2. la temperaturi inferioare neutralitii termice;3. la temperaturi superioare neutralitii termice;4. n condiii extreme de cald i rece.

    La temperatura mai joas de confort termic este necesar un aport de calorii (termogeneza)iar la temperaturi mai ridicate este necesar o pierdere de cldur (termoliza).

    Cldura specific ridicat a apei explicat prin caracterul puternic asociat al legturilor dehidrogen (1 cal/gr grad ---> 4,18x103J/kg grad) organismele pot primi cantiti mari de cldur dinafr sau interior fr a-i ridica temperatura proprie.

    Conform ecuaiei calorimetrice (t = Q/mc, n care:(t - variaia de temperatur;Q - cantitatea de cldur;m - masa;c - cldura specific.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    20/80

    20

    Un adult are 65% ap din 70 kg corp, deci un aport de 45.000 calorii ridic cu 1 rC o masde ap de 45 Kg.

    Sistemul metabolic produce pe zi (24 ore) 2500 kcal. Apa termostateaz ridicareatemperaturii prin:

    conductibilitatea termic ndeprteaz hipertermiile locale; cldura latent de evaporare (permite prin evaporare pulmonar i cutanat o

    pierdere important de cldur de ctre corp).

    Rolul evaporrii pulmonare n termoreglare - un adult elimin prin pulmon 300 400 gap n 24 ore. Hipertermia mediului ambiant antreneaz o polipnee termic capabil n cretereaeliminrii pulmonare a apei.

    Evaporarea cutanat, se face prin mecanismele: perspiraia insensibil; sudaia.

    Perspiraia insensibil este difuziunea invizibil a vaporilor de ap sau a lichiduluiintercelular prin straturile cornoase ale epidermei ---> 600 la 800 cm3 ap pe zi (la om).

    Q = 700 gr x 591 calorii (cldura latent la 20rC) } 413 kcal.Eliminare } 25% din cldura metabolic produs.

    Sudaia - eliminarea prin piele a unui lichid de excreie - sudaia exocrin sau sudaiaadevrat, cu coninut de 3-5 grame clorur sodiu. Sudoarea este rezultatul activitii glandelor micisudoripare repartizate pe toat suprafaa pielii. Se elimin pe zi ntre 1 litru i 1,5 litri n climattemperat iar la temperaturi ridicate 20-25 litri.

    Eficacitatea sudaiei este legat de viteza de evaporare care depinde de: suprafaa pielii sudate s, de tensiunea de vapori f de presiunea de vapori a apei p la temperatura considerat i de presiunea total P (presiunea atmosferic)

    P

    p-fsk !V

    APA N REACIILE BIOCHIMICE

    1. Hidroliza enzimatic, degradarea macromoleculelor alimentare, glucide i protide n micimolecule absorbabile n intestin. Aceste biosinteze se realizeaz prin deshidratare.

    2. Participarea apei la reaciile de oxido-reducere3. Biosinteza prin deshidratare

    glicogenoformarean glucoza ---> glicogen + n molecule ap

    Biosinteza proteinelor se face prin crearea de legturi peptidice ca structura primara aproteinelor

    Producerea metabolic de ap - este apa endogen rezultat din combustii celulare.Combustia total a unei molecule de glucoz d ca rezultat 6 molecule de ap.

    C6H12O6 + 6O2p 6CO2 + 6H2OReacia este exergonic (productoare de energie). n organism pentru un mol de approdus rezult 56,7 kcal. Cantitatea de ap format zilnic este } 350 gr sau aproximativ 20 moliceea ce d o cantitate de cldur de

    56,7 x 20 = 1134 kcal.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    21/80

    21

    APA GREA

    n 1932 Urey observ c rezidul bacurilor de electroliz (bac de celul electrolitic = vas deebonit, de sticl sau de rini sintetice, care conine electrozii i electrolitul) au densitate mai maredect apa obinuit i astfel descoper apa grea. Apa grea se obine prin electroliza la tensiuni mari.

    Exist dou feluri de ap grea: D2O i DOHn locul atomului de H apa grea are izotopul su D deuteriu care are n nucleu un proton i

    un neutron D21 .

    Proprietile fizice ale apei grele

    y densitatea maxim la 11,6rC fa de 4rC la apa normal;y punct de topire 3,802rC;y punct de fierbere 101,42rC n condiii normale de presiune;y coeficientul de vscozitate 12,6 milipoise fata de 1,09 mp la apa normal la 20rC.

    Se poate marca apa cu ap grea pentru studiul metabolismului apei cu ajutorulspectroscopiei de mas sau prin refracie.

    Rolul apei grele n organism

    y ncetinete metabolismul;y inhib diviziunea celular;y abolete parial capacitatea de conducere a influxului nervos;y inhib transportul activ i contracia muscular.

    Aceste modificri se explic prin:y structuralizarea mai pronunat a apei grele;y realizarea n celul a unor complexe ap-proteine mai stabile.

    Dup deuterizare fora de contracie muscular scade iar timpul de laten al contraciei crete. Lanlocuirea apei cu ap grea se genereaz modificri profunde n funcia miocardului.

    APA EXTRACELULAR I APA INTRACELULAR

    Forele care menin apa intracelular sunt cele osmotice (acionnd prin membrane).Apa intracelular este de 55% din totalul organismului.Apa extracelular este de 45% i reprezint fluidul interstiial i fluidele circulante.Forele osmotice compenseaz ptrunderea sau ieirea prin membrane a unei cantiti de ap

    fa de echilibrul osmotic dictat de compoziia intracelular.n interiorul celulei avem:y apa de hidratare pe macromolecule;y apa legat cu rol specific de structuralizare a macromoleculelor ct i de structuralizare a

    apei de ctre aceste macromolecule n diversele lor configuraii spaiale.

    Apa legat are proprieti specifice fa de apa normal.Datorit forelor electrostatice generate de legtura de hidrogen ct i de cuplarea dintre

    moleculele de ap n apropierea unor macromolecule putem vorbi de straturi macromoleculare deap n apropierea macromoleculelor care i modific structura prin modificarea funciei salespecifice.

    Straturile macromoleculare pot fi n numr limitat datorit forelor de interaciune dintre ele.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    22/80

    22

    Primul strat de lng macromolecul este mai legat, are o mobilitate sczut iar straturile IIi III au fore de legtur mai sczute. Nu trebuie confundat n totalitate apa legat cu apa dehidratare.

    Structuralizarea apei pe macromolecule

    Proprietile apei legate (numit i sub termenii de ap citoplasmatic, ap fixat, apnecongelabil, ap nesolvant, ap intransferabil osmotic):

    y rezist la deshidratare;y nu nghea nici chiar la 20rC;y nu are proprietile obinuite de solvent la cristaloizi;y nu este transferat prin membrane n schimbul osmotic dintre celule i mediul extern.

    n esuturile animale 5-10% din apa tisular nu nghea deci este ap legat.Pentru determinarea structuralizrii apei o metod eficace a fost i este R.M.N.-ul

    (Rezonanta magnetica nuclear) realizat pe esuturi i tomografia de R.M.N. care d imagineastructurilor biologice prin imaginea structuralizrii apei sau a altor nuclee, corelat cu modificrilefuncionale, normale sau patologice ale acestor structuri. Nu am fi avut tomografie de R.M.N.realizat pe protonii apei din esuturi fr existena structuralizrii specifice a acestei ape n esuturi.

    Concluziile la care au condus tehnicile de rezonan magnetic protonic referitor la apaintracelular, sau apa tisular au artat prezena mai multor compartimente pentru apa intracelular,ntre aceste compatimente existnd un schimb continuu de molecule.

    COMPARTIMENTAREA APEI N ORGANISM. METODE DE EVALUARE

    O prim form de compartimentare:y apa intracelular - reprezint locul reaciilor metabolice;y apa extracelular - constiuie mediul nconjurtor al fiecrei celule. Aceasta conine i fluidul

    interstiial i fluidele circulante.Pentru evidenierea diferitelor compartimente pot fi utilizate metode de diluie, de colorare

    (pentru sistemul circulator), izotopi radioactivi.Concentraia substanei test variaz ntre compartimente n funcie de timp, printr-o lege

    multiexponenial:C(t) = AeP1t + BeP2t + ...

    Metoda analizei compartimentale este generat att pentru determinarea compartimentriiapei ct i pentru ptrunderea i compartimentarea medicamentelor n organism sau a izotopilorradioactivi utilizai ca diagnostic.

    IStratH2O

    IIIStratH2O

    IIStratH2OMacromolecul

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    23/80

    23

    BIOFIZICA CELULAR

    Nivelul molecular al vieii se refer la diferite sisteme de molecule din celule care nu suntposibil a fi studiate dect prin metode fizico-chimice. Aceste molecule sau macromolecule nu suntvii dar prin interaciunea si funcia lor asigur manifestarea fenomenului numit via care implic

    existena unor structuri i desfurarea unor procese energetice specifice i circulaia informaiei ncadrul sistemului.Nivelul supramolecular al vieii exprim un nivel de organizare mai complex care este

    reprezentat de o serie de sisteme din interiorul celulei cum sunt cromozomii din nucleu,mitocondriile din citoplasm, etc.

    Nivelul celular al vieii este prima treapt de organizare n care se manifest caracteristicilevieii si interaciunea cu mediul ambiant prin schimb de materie, informaie, energie.

    Celula este unitatea fundamentala si elementara a vieii si reprezint o unitate morfologic,funcional si genetic. Superior celulei exist trei nivele de organizare mai complexe:

    nivelul tisular; nivelul organic; individul (organismul).

    Celulele din organismele superioare sunt grupate n organe difereniate. Organitele celularese scald ntr-un mediu specific i au n compunerea lor un numr relativ mic de molecule legatentre ele prin forme de structur i organizare complexe, fr legitate cunoscut actual.

    n studiul biofizic al celulei nu putem spune c exist o celul tip, cu o configuraie unic.Celulele au caractere particulare funcie de nivelul de evoluie, de structur a sistemului din care fac

    parte. Organismul nu poate fi considerat ca o sum sau colonie de celule de acelai tip.n studiul caracteristicilor biofizice ale celulei se ntmpin dificulti datorate tehnicilor de

    studiu care pot introduce pe lng artefacte si interpretri contradictorii materiei vii. De exemplu seconsider celula izolat si in repaus. Nu poate exista n organismul viu o asemenea situaie. O celuln repaus absolut este moart.

    Dimensiunile i forma celulei

    Formaiunile celulare pot fi de diferite dimensiuni. Limitele de variaie a dimensiunilor suntdestul de mari (hematia 6,5-7,5 Qm, ovulul 200 Qm sau axonul din nervul sciatic care atingedimensiuni de peste 1 m).

    O celul nu poate fi orict de mic deoarece oricare din prile ei trebuie s conin unnumr suficient de molecule astfel nct fluctuaiile statistice s nu influeneze variabilitateafactorilor de echilibru celular. Realizarea metabolismului energetic si plastic necesit un numr de50-100 enzime distincte care trebuie s fie coninute n structuri spaiale ordonate n interiorulcelulei. Informaia structural a acestor enzime trebuie s fie nscris n macromolecule de ADNcare ocup un spaiu mare n celul.

    Celulele au forme variate. Sunt celule de form sferic, celule cilindrice, de form spiralat.Forma celulelor este meninut cu consum de energie metabolic.

    Caracteristicile biofizice ale celulei:

    1. Vscozitatea protoplasmei;2. Tensiunea superficial;3. Elasticitatea;4. Densitatea citoplasmei i a nucleului.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    24/80

    24

    1. Vscozitatea protoplasmeiProtoplasma se comport ca un lichid newtonian (la vitez de curgere mic, vscozitatea nu

    depinde de gradientul de vitez, rata de curgere fiind proporional cu fora aplicat).Se determin prin mai multe procedee.

    I. Principiul metodei: legea Stokes referitoare la cderea unor sfere mici ntr-un lichidvscos. Coeficientul de vscozitate este direct proporional cu densitatea lichidului iraza sferei i invers proporional cu viteza de naintare.

    II. Principiul metodei: Legea Einstein referitoare la legtura dintre micarea brownian aunor particule suspendate in mediul vscos.Valorile obinute sunt valori medii aproximative ale coeficientului de vscozitate.Vscozitatea celular este modificat de aciunea unor factori externi.

    2. Tensiunea superficialApare ca fora tangenial la suprafaa unui lichid.Procedeele de determinare a tensiunii superficiale sunt mprite n dou grupe:

    metode statice ascensiunea n tuburile capilare, msurarea presiunii ntr-o bul;

    metode dinamice.

    picturile care cad. metoda compresiunii dup Cole (cu un fir de aur se exercit o presiune asupra

    celulei. Se determina fora aplicat K).

    3. Elasticitatea protoplasmeiProtoplasma este elastic i plastic.Elasticitatea protoplasmei scade n prezena srurilor de sodiu i crete n prezena srurilor

    de potasiu.Ea este diferit de a nucleului. Determinarea elasticitii dup Seifritz a fost fcut prin

    introducerea n celul a unor sferule de nichel pe care le deplasa cu ajutorul unui magnet.F.H. Crick si Hughes au introdus nite sferule de mici magnei formai din magnetit

    (Fe2O3FeO) care puteau fi fagocitate de fibroblaste cultivate in vitro.

    4. Densitatea celulei (citoplasmei)Densitatea citoplasmei are n general valoarea de 1,03-1,05 g/cm3 (densitatea apei de mare

    este 1,03 g/cm3). Metoda general de determinare a densitii protoplasmei este centrifugarea.Nucleul are densitatea de 1,076 g/cm3 iar nucleolul de 1,14 g/cm3.

    La centrifugare componentele nucleului se depun n ordinea: nucleol, cromozomi,citoplasma, suc nuclear.

    Suprafaa nucleului este aderent, de el se pot fixa mitocondriile, plastidele, bacteriile, etc.

    Proprietile optice ale nucleuluiIndicele de refracie este n = 1,4 z 1,42. Refringena maxim o au cromozomii. n lumina

    polarizat el prezint birefringena negativ datorit ADN-ului.Proprietile electrice ale nucleuluiAceste nsuiri depind mult de pH.Punctul izoelectric este la pH = 3,0 z 4,2 mai sczut dect al citoplasmei (pH = 4,0 z 6,5).Importana acestui punct izoelectric este mare deoarece la acest punct avem un minim de

    sarcini electrice, minim de vscozitate, de presiune osmotic.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    25/80

    25

    BIOMEMBRANE CELULARE

    Biomembranele reprezint circa 10 - 20% din masa celular. Proporia de lipide i proteinecare intr n componenta acestora este diferit n raport cu funciile particulare ale fiecrei

    biomembrane. Membranele cu activitate metabolic marit conin mai multe proteine (de ex.membrana intern a mitocondriei cu peste 70% proteine n alctuirea sa). Teaca mielinic conine

    lipide n proporie de 75% ceea ce asigur rolul su de izolant electric. Glucidele reprezint uncomponent minor, prezent numai n proporie de 2-10%. Acestea sunt dispuse n principal pe faaextern a membranei fiind legate covalent de lipide sau proteine. Acestor componente la nivelmembranar li se asociaz o nsemnat cantitate de ap (circa 20% din masa total) precum i ioni deCa i Mg. Proporiile lor variaz foarte mult n special n stri patologice.

    Structura membranei celulare a fost studiat prin microscopie electronic, difracie de razeX i recent, vizualizat cu ajutorul microscopiei de for atomic.

    Modelul de membran acceptat este cu dublu strat lipidic, straturile monomolecularejuxtapuse cu capetele polare spre exterior i cu catenele hidrocarburice n contact.

    Stratul lipidic este strbtut de pori umplui cu ap, cu o structur de mozaic cu mici zonehidrofile mprtiate pe un fond hidrofob.

    Structura membranei celulare conform modelului mozaicului fluid proteolipidic

    Principalii constitueni ai membranelor biologice sunt lipidele i proteinele, conformmodelului mozaicului fluid proteolipidic al lui Nicholson i Singer elaborat n 1972: membrana este format dintr-un bistrat lipidic, n care sunt inserate proteine i glicoproteine. Acest modelpresupune distribuia uniform a diferitelor tipuri de lipide n bistrat, lucru care a fost infirmat nultimii ani. Simon si Ikonen au demonstrat n 1987 existena asa numitelor microdomenii lipidice(lipid rafts) de colesterol i sfingomielina care nu sunt solubile n detergeni nonionici, adic

    prezena unor insule membranare, lipidele nedistribuindu-se uniform pentru a forma bistratullipidic.

    LIPIDE MEMBRANARE

    Stratul dublu lipidic reprezint matricea lipidic a biomembranelor iar structura sa este

    realizat printr-un proces de auto-asamblare (autoorganizare).Forele de atracie Van der Walls dintre lanurile hidrocarbonate determin, la rndul lor,

    aglomerarea acestora. De asemenea ntre constituienii membranari se manifest i interaciunile detip electrostatic sau de tip legtur de H (ntre capetele polare i moleculele de ap).

    Proprietatea de autoorganizare a stratului dublu se pstreaz i n vitro, putndu-se astfelobine membranele artificiale. Acestea se prezint de obicei sub dou forme: fie ca straturi

    bilipidice plane, fie ca straturi duble lipidice dispuse n vezicule (lipozomi).Lipidele sunt molecule insolubile n ap i uor solubile n solveni organici, avnd o

    densitate de aproximativ 5 106 lipide / 1 m2 arie de membran, constituind circa 50% din masamembranelor celulelor animale. Lipidele formeaz matricea pentru fixarea proteinelor, dar

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    26/80

    26

    ndeplinesc i alte funcii. Lipidele sunt amfifile, adic prezint capt polar (extremitate polar careinteracioneaz puternic cu apa) i una sau mai multe catene alifatice puternic hidrofobe (formatedin dou lanuri de hidrocarburi numite i cozi hidrofobe)

    Lipidele membranare pot fi nepolare (neutre) cum este colesterolul ori polare cum suntfosfolipidele i glicolipidele.

    Fosfolipidele sunt derivai ai glicerolului (acool simplu) sau ai sfingosinei (alcool complex).Exist fosfolipide care conin colin: fosfatidilcolina, sfingomielina sau care nu conin colin:

    fosfaditiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol etc. Una dintre cele dou cozi hidrofobe alefosfolipidelor se prezint sub forma unui lan drept de acizi grai saturai, iar cealalt prezint omic bucl datorit unei legturi duble cis nesaturate.

    Fosfolipidele sunt asimetric distribuite n bistrat, astfel, pe partea interstiial a membraneise afl fosfaditilcolina i sfingomielina, iar pe partea citoplasmatic a membranei se aflfosfaditiletanolamina i fosfaditilserina care are i sarcin electric negativ.

    Glicolipidele conin la captul polar molecule de zahr (glucoz sau galactoz), ele fiindntlnite exclusiv pe suprafaa extracelular a membranelor lipidice.

    Colesterolul se orienteaz n biomembrane cu gruprile hidroxil din structura inelarsteroid n vecintatea capetelor polare ale fosfolipidelor interacionnd i imobiliznd parialgruprile hidrocarbonate din cozile fosfolipidelor, avnd ca efect scderea fluiditii

    biomembranelor.

    Interaciunea fosfolipide ap

    Capetele polare care conin gruparea fosfat interacioneaz cu moleculele polare de ap.Deoarece cozile moleculelor amfifile sunt hidrofobe, interaciunea cu moleculele de ap este maislab dect interaciunea dintre moleculele de ap, din acest motiv, la contactul cu apa, cozilehidrofobe sunt eliminate din contactul cu aceasta.

    n funcie de concentraia fosfolipidelor n ap, se pot realiza trei tipuri de structuri:1. monostrat lipidic pentru concentraii mici de fosfolipide; prin mprtierea unei soluii

    de lipide pe o faz apoas se formeaz spontan un monostrat la interfaa aer/ap undecapetele polare ale lipidelor sunt orientate ctre ap, iar cozile hidrofobe ctre aer; astfel,

    lipidele sunt surfactani (au proprietatea de a scdea coeficientul de tensiune superficialal apei)2. micele, cnd coninutul de lipide al amestecului este mult mai mare catenele alifatice se

    vor orienta ctre interior, iar capetele polare vin n contact cu faza apoas3. bistraturi, la concentraie foarte mare de fosfolipid, capetele polare vin n contact cu

    faza apoas, iar catenele alifatice sunt mpachetate paralel una cu alta; miezul lipidicfiind hidrofob este exclus din faza apoas, iar bistraturile lipidice se nchid spontan formndvezicule stabile.

    Organizarea spontan n ap a moleculelor lipidice

    Bistratul lipidic este o structur dinamic, prezentnd fluiditate: moleculele lipidice prezintmicri de translaie n stratul n care se afl (difuzie lateral), rotaie n jurul axei proprii, rotaiedescriind o suprafa conic, flexie, basculare dintr-un strat lipidic n cellalt.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    27/80

    27

    Bistratul lipidic se comport ca o structur dinamic

    PROTEINE MEMBRANARE

    Proteinele membranare sunt unele periferice iar altele sunt integrate n lipide.Pe faa citoplasmic a multor membrane celulare se formeaz o reea de proteine fibrilare

    formnd citoscheletul.Pe faa extern a membranelor att proteinele ct i lipidele prezint poriuni oligozaharidice

    fiind constituite ca glicoproteine i glicolipide. Acestea formeaz n ansamblul lor nveliul celularnumit glicocalix

    Proteinele membranare sunt specifice fiecrei membrane. Ele reprezint elementul activ almembranei, fiind structuri organizate de baz n desfurarea urmtoarelor procese biologice: fenomene de transport (canalele i transportorii care contribuie la transportul ionilor i al

    moleculelor mici sunt proteinele specifice) cataliza enzimatic (enzimele, n majoritatea cazurilor, sunt structuri proteice, care

    mresc vitezele de reacie ale proceselor desfurate in vivo de ordinul milioanelor deori)

    micarea coordonat (de exemplu, actina i miozina sunt structuri proteice specificeresponsabile pentru existena micrii coordonate)

    suport mecanic (colagenul este o protein esenial n structura pielii, a esuturilorosoase i a tendoanelor)

    imunoprotecie (anticorpii sunt de asemenea proteine extrem de specializate cu rol n

    recunoaterea organismelor strine)Concentraia proteinelor variaz funcie de tipul membranei ntre 20% i 75% (membrana

    mitocondriilor).Putem grupa aceste proteine n dou categorii:a) proteine extrinseci (periferice) - ptrund n membran pe o anumit adncime sau sunt

    ataate la suprafaa membranei (receptorii membranari, proteine cu rol imunologic etc.). Ele sunt slablegate de membran i pot fi ndeprtate prin splare ori prin tratare cu soluie ionic sczut. Elesunt frecvent implicate n transmiterea informaiei spre interiorul celulei.

    b)proteine intrinseci (integrale) - traverseaz membrana pe toat grosimea ei. Pot fi extrase prin tratare cu detergeni sunt implicate n general n fenomene de transport. Prileintramembranare sunt structuri hidrofobe, n dublu helix, legate ntre ele, n mediul apos, prin zonehidrofile neelicoidale.

    Tipuri de proteine membranare

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    28/80

    28

    Moduri de legare a proteinelor membranarey proteine intrinseci

    a) cu un singur segment transmembranar;b) segmente transmembranare multiple.

    y proteine extrinsecia) legturi electrostatice;

    b) legturi hidrofobe;

    c) legturi hidrofobe, prin ancorare de un segment terminal ce penetreazmembrana;

    d) ancorare printr-o molecul lipidic legat covalent;e) legare de o alt protein membranar.

    POSIBILITI DE MICARE N STRATUL BILIPIDIC

    y Lipidea) difuzie lateral n stratul lipidic i schimb ntre moleculele lipidice din strat i

    cele adiacente proteinelor;b) rotaie n jurul axei proprii i basculare dintr-un strat n cellalt;

    c) rotaie descriind o suprafa conic (o asemenea micare pot avea i derivaiiacizilor grai);y Proteine

    a) difuzie lateral;b) rotaie n jurul unei axe perpendiculare pe stratul bilipidic;c) rotaie izotropic (fr axa preferenial);d) rotaie descriind suprafee conice, molecule hidrofobe, comportndu-se ca un

    bastona rigid.

    PERMEABILITATEA I SELECTIVITATEA MEMBRANELORBIOLOGICE

    n cazul organismelor vii intlnim membrane permeabile i selectiv permeabile constnd nbariere de complexiti diferite:

    bariere multicelulare (intestinul); monocelulare (peretele vaselor capilare); membranele particulelor subcelulare (nuclee, mitocondrii, lipozomi).Membranele biologice au permeabiliti foarte mari pentru moleculele de ap fa de

    permeabilitatea pentru moleculele polare sau macromolecule.Permeabilitatea este mare i pentru molecule sau pentru ioni hidratati.Membranele pot fi clasificate dup proprietile lor de permeabilitate: impermeabile; permeabile;

    selectiv permeabile: SMP membrane semipermeabile (permeabile numai la solvent):

    j naturale: pluricelulare; monocelulare; celulare.

    j artificiale: organice; anorganice.

    IRP membrane ireciproc permeabile (permeabile la solvii dar numai ntr-un sens).

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    29/80

    29

    FUNCIILE MEMBRANEI CELULARE

    n primul rnd, membrana asigur meninerea caracteristicilor fizico-chimice diferite alecelor dou compartimente pe care le separ. Membrana reprezint o zon de comunicare controlatntre cele dou compartimente, n ambele sensuri prin:

    1. Transport de substan prin membrana intact (molecule, ioni i ap) sau prin rupereamembranei urmat de refacerea acesteia datorit plasticitii ei excepionale.

    2. Traducere i transfer de informaie adus de diferii stimuli (mecanici, electrici,electromagnetici, chimici, termici etc.) prin receptorii specifici pe care membrana i conine.

    3. Implicare n funciile celulare datorit enzimelor i complexelor enzimatice pe care leconine: replicarea ADN, biosinteza proteinelor, bioenergetic celular, rspuns hormonal.

    Transportul de substan prin membran se face prin macrotransportdac substana transportat este n stare solid sau lichid (formele de macrotransport fiindfagocitoza i pinocitoza) i prin microtransport care poate fi pasiv sau activ.

    Macrotransportul

    Fagocitoza - n procesul de fagocitoz celula nglobeaz particule de substan solid,nvluindu-le anterior cu nite prelungiri citoplasmatice numite pseudopode, prelungiri carefuzioneaz apoi n spatele acestor particule.

    La protozoare (la amoebe de exemplu) fagocitoza este procesul prin care celula se hrnete.La celulele mai dezvoltate, acest mecanism servete altor scopuri i anume: macrofagele ileucocitele nghit fragmente celulare i intrui.

    Pinocitoza - Prin pinocitoz, lichidele, dispersate n picturi fine, i macromoleculelesuntintroduse n celul sau scoase din aceasta, dup ce n prealabil au fost nvelite ntr-un bistrat lipidicdevenind vezicule. Veziculele fuzioneaz cu membrana celular i pot fi transportate dintr-o partentr-alta a membranei. Expulzarea coninutului lichid al veziculei are loc ca efect al forelor detensiune superficial

    Formele pinocitozei sunt:y endocitoza (ptrunderea in interiorul celulei a veziculei, urmat de expulzarea

    coninutului acesteia).y transcitoza (vezicula traverseaz celula, fr a se sparge) are loc cu precdere n celulele

    endoteliului capilar, facilitnd trecerea proteinelor plasmatice din snge ctre spaiulextravascular.

    y exocitoza (expulzarea de ctre celul a unei vezicule care, de exemplu, conine substanepe care celula este incapabil de a le utiliza). Fenomenele de exocitoz sunt frecvente nterminaiile nervoase i n celulele secretorii.

    Microtransportul

    Clasificarea mecanismelor de microtransport membranar:Transport pasiv (fr consum de energie metabolic, datorit gradienilor de concentraie,

    de potenial electric, de presiune, gravitaional i n sensul lor. difuzie simpl prin stratul bilipidic; difuzie facilitat de moleculele transportoare; difuzie prin canale; osmoza.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    30/80

    30

    Transport activ (consum de energie metabolic mpotriva gradienilor, realizat demolecule transportoare, cu proprieti enzimatice.

    primar (pompe ionice) - este cuplat cu o reacie exergonic (exemplu hidroliza ATP); secundar - este cuplat cu transportul simultan al unei alte substane n sensul

    gradientului electrochimic; simport: ambele substane sunt transportate n acelai sens;

    antiport: cele dou substane sunt transportate n sensuri opuse.

    TRANSPORTUL PASIV PRIN MEMBRANE CELULARE

    Este un proces de difuzie a ionilor i a moleculelor prin membran.n acest transport pasiv exist dou fenomene distincte ca modalitate de transport

    microscopic. difuzia liber prin membran (dializa) sub aciunea unui gradient de concentraie; filtrarea printr-o membran sub aciunea unui gradient de presiune i concentraie.

    Aceste fenomene se ntmpl pn cnd sistemul ajunge n echilibru termodinamic avndaceleai valori de concentraie i presiune ntre mediul intra i extracelular.

    Difuzia simplDatorit structurii membranei ca strat bilipidic, zona intern fiind hidrofob, o particultrebuie sa strabat o zon hidrofil i apoi s ajung n zona hidrofob. Datorit acestui lucrumecanismele de difuzie vor fi diferite pentru particulele hidrofile (ioni i molecule polare) i

    particule hidrofobe (nepolare) respectiv pentru particulele liposolubile i hidrosolubile.Solubilitatea unei substane este diferit n mediul apos i n membran.Raportul ntre solubilitatea ntr-un solvent (n cazul nostru membrana lipidic fluid) i

    solubilitatea n ap se numete coeficient de partiie solvent-ap (F).Un coeficient de partiie diferit de 1 determin un salt de concentraie pe suprafaa

    membranei.Difuzia pasiv sau transportul pasiv datorat agitaiei termice a unor particule din zonele de

    concentraie (densitate mai ridicat) spre zonele cu valori mai mici printr-un mediu suport omogen

    se supune legilor cunoscute sub numele de legile lui Fick.Pentru prezentarea legilor difuziei este necesar a utiliza doi termeni: flux i gradient.y Fluxul reprezint cantitatea de substan, sarcin, energie, etc., transportate printr-o

    suprafa S n unitate de timp. Flux masic (m/(t (la limita (dm/dt) Flux molar(R/(t (la limita dR/dt).

    y Gradientul reprezint variaia unei mrimi (concentraie, densitate, potenial electric,etc.) ntre dou puncte ale spaiului raportat la distana dintre cele dou puncte.

    Prima lege a lui Fick:Fluxul masic dintr-o substan printr-o suprafa S este direct proporional cu suprafaa i

    cu gradientul de concentraie:Legea a II-a a lui Fick

    Este o lege de conservare. n procesul difuziei n intervalul de timp (t, t + Et) masa de solvitce intr n volumul Sdx este egal cu masa ce rmne n acest volum, minus masa de lichid careiese. Variaia temporal a concentraiei n orice punct al soluiei este proporional cu variaiaspaial a gradientului de concentraie.

    Aplicaii ale difuziei Transportul intracelular; Transporturile prin membran sau dializa;

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    31/80

    31

    Filtrarea printr-o membran; Filtrarea unei soluii; Osmoza i presiunea osmotic.

    Difuzia facilitat de molecule transportoareDup cum s-a vzut, moleculele mici hidrofobe pot traversa membrana prin difuzie simpl,

    iar ionii difuzeaz prin canale.

    Moleculele hidrofile mari (care constituie factori nutritivi pentru celule), la fel ca i unii ioninu pot traversa membrana dect dac utilizeaz un transport mediat de o molecul transportoareexistent n membran sau introdus artificial n aceasta. Asemenea molecule transportoare au oanumit specificitate, recunoscnd specia molecular sau ionic pe care o transport. Existtransportori pentru glucoz, colin, pentru diferii ioni (ionofori). Acest mecanism se numetedifuzie facilitat.

    Difuzia facilitat poate fi descris pe baza cineticii Michaelis Menten. Teoria Michaelis-Menten presupune c enzima E se combin mai nti cu substratul S pentru a forma complexulenzim-substrat, ES: aceasta se descompune ntr-o etap urmtoare, formnd enzima liber i

    produsul P:E + S ESES E+PTransportorii sunt proteine att de specializate nct pot deosebi speciile levogire de cele

    dextrogire. Fiind vorba despre o form de transport pasiv, sensul de aciune al transportorilor ndifuzia facilitat este sensul gradientului electrochimic.

    Descrierea mecanismului difuziei facilitate:Molecula transportoare, cu rol enzimatic, se poate afla n dou stri conformaionale:

    1. avnd un loc de legare a substratului (molecula ce urmeaz a fi transportat) pe unadin feele membranei;

    2. modificarea conformaional ca rezultat de transferare a situsului pe cealalt fa amembranei.

    n figura 1 este figurat transportul facilitat al moleculei de glucoz. Se poate observa cummolecula de glucoz, numit substrat n aecast situaie, se leag pe una din feele membranei ntr-

    un anumit loc de legare numit situs. Se produce n urma legrii o modificare conformaional isitusul de legare este expus prii opuse, simultan cu scderea afinitii transportorului pentruglucoz i eliberarea acestei molecule de partea cealalt a membranei. Prin eliberare se revine laconformaia iniial i ciclul se repet.

    Figura 1 - Exemplu de difuzie facilitat: difuzia facilitat a gucozei

    (Baldwin & Lienhard, Trends Biochem. Sci. 6:210, 1981)

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    32/80

    32

    Viteza de reacie este proporional cu concentraia substratului, transportul se efectueaz dela concentraie mare la concentraie mic (n direcia gradientului de concentraie a substratului).Similar altor reacii enzimatice difuzia facilitat poate s fie inhibat de anumii compui prininhibiie competitiv sau necompetitiv.

    Eficiena difuziei facilitate este mult mai mic dect a celei prin canale. Ex: transportul deglucoz din membrana eritrocitar mediaz circa 300 molec/s.

    Un caz particular al difuziei facilitate este formarea n jurul ionului a unei structuri

    hidrofobe, care i permite difuzia prin stratul bilipidic. O astfel de substan care, inclus nmembrana celular, permite translocarea ionilor de pe o fa pe cealalt se numete ionofor.Ionoforii pot aciona ca nite molecule transportoare sau pot forma canale prin membran. Deexemplu, valinomicina (Fig. 2) este un ionofor care poate ncorpora ionii de K+, forndu-i s

    prseasc prin membran celula bacterian, provocnd moartea acesteia, acionnd astfel ca unantibiotic.

    Figura 2- Valinomicina este un ionofor care face ca ionii de K+ s ias din celula bacterian,

    provocndu-i moartea

    Difuzia prin canale ioniceSubstanele ionizate nefiind liposolubile, difuzia lor prin membran se poate face prin

    structuri proteice specializate care strbat membrana pe toata grosimea ei i creeaz ci de trecere pentru ioni, formnd canale (ionice) sau pori prin membran (denumirea veche). Noiunea de poreste folosit pentru structurile neselective, fcnd o discriminare doar pe baza diametrului

    particulei. n cazul n care prin pori trece apa, acetia se numesc porine. Canalele permit trecereaionilor n ambele sensuri, direcionalitatea fiind impus de gradientul electro-chimic. Eficacitateatransportului prin canale este foarte mare, printr-un singur canal putnd trece 106-108 ioni/s.

    Canalul ionic poate fi o enzim (E) care formeaz tranzitoriu un complex care va fitransportat, ele formnd substratul (S). Funcionarea sa se face pe baza cineticii Michaelis-Menten.

    Canalul se poate nchide i deschide funcie de modificarea conformaional a proteineicanal. Comanda se poate realiza:

    electric prin modificarea potenialului membranar (canale Na+ i K+); chimic prin molecule ce se leag specific la proteina canal; prin alte mecanisme.n Fig. 3 este reprezentat schematic structura unui canal ionic. Filtrul recunoate un anumit

    tip de ion i l las s treac n vestibul. Senzorul primete informaia din exterior, fie din parteaunei molecule receptoare, fie direct de la un semnal electric (cazul canalului din Fig. 3), i, dacinformaia este corespunztoare, comand deschiderea porii permind ionului s intre sau s iasdin celul, mpins de potenialul su electro-chimic.

    Figura 3 - Reprezentarea schematic a canalului membranar

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    33/80

    33

    Fiecare tip de canal poate fi blocat specific de anumite toxine: tetrodotoxina inhibfuncionarea canalului de Na+ din membrana axonal, tetraetilamoniul blocheaz canalul de K+).Blocanii specifici permit studierea proprietilor canalelor sau identificarea proteinelor canal. nconcluzie, membrana celular poate fi traversat prin transport pasiv de moleculele mici hidrofobe

    prin difuzie simpl, de ioni prin canale i difuzie facilitat i de moleculele hidrofile mari prindifuzie facilitat (Fig. 4).

    Figura 4- Comportamentul diferitelor tipuri de molecule n apropierea membranei lipidice

    Transportul apei care intervine esenial n toate procesele biologice se realizeaz att prindifuzie simpl i osmoz ct i prin canale (pori apoi porine v. Fig. 5), permeabilitateamembranei pentru ap fiind foarte mare. Mecanismele de transport al apei sunt foarte complexe iincomplet elucidate, un rol foarte important avndu-l diferena de presiune osmotic.

    Figura 5- Difuzia apei printr-un por

    OsmozaDefiniii:

    Osmoza reprezint fenomenul pasiv de trecere a a soluiilor apoase printr-omembran semipermeabil datorit gradientului de presiune cnd ntre cele doucompartimente exist o diferen de concentraie. Sensul fluxului osmotic este de la

    concentraia mic a solvitului la concentraia mare a solvitului. Agitaia termic esteo cauz a osmozei. Presiunea osmotic reprezint presiunea mecanic necesar opririi fenomenului de

    osmoz.Fenomenul a fost pus n eviden de ctre Dutrochet care a evideniat trecerea solventului

    printr-o membran semipermeabila ce separ o soluie de solvent pur (aflat ntr-un vas) i o soluiecu acelai solvent (aflat ntr-un tub care este nchis la partea inferioar cu memebranasemipermeabil). Solvitul nu poate trece ci trece doar solventul. Presiunea osmotic este msurat

    prin msurarea presiunii hidrostatice pe care o echilibreaz.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    34/80

    34

    Presiunea osmotic este direct proporional cu temperatura mediului, cu numrul departicule solvite i invers proporional cu volumul soluiei, conform relaiei:

    P V= n RTunde:P = presiunea osmoticn = numrul de particule solviteR = constanta general a gazelor (0,082)

    T = temperatura absolut (273 + tC)V = volumul soluieiC = concentraia osmotic a soluiei

    Dac avem o membran permeabil iar trecerea are loc att pentru solvent ct i pentrusolvit atunci nu se mai exercit nici o presiune deci presiunea osmotic este nul.

    n cazul n care o membran semipermeabil separ dou compartimente coninnd aceeaisoluie, dar cu concentraii diferite, prin membran va avea loc difuzia moleculelor de solvent(singurele care pot difuza) de la comportamentul cu soluia mai diluat (cu concentraia solventuluimai mare/ concentraia solvitului mai mic) spre compartimentul cu soluia mai concentrat (cuconcentraia solventului mai mic/ concentraia solvitului mai mare).

    Procesul este spontan (pasiv) i conduce la egalizarea concentraiei solvitului n cele doucompartimente dac nu este oprit.

    n cazul particulelor n care membrana semipermeabil separ o soluie de solventul pur,moleculele solventului (apa) vor difuza spre soluie tinznd s-o dilueze, ceea ce provoac o mrire avolumului soluiei. Va aprea apoi o diferen de presiune hidrostatic care, n final, va opri

    procesul de osmoz.

    Figura 6 Fenomenul de osmoz

    Osmoza poate fi definit i ca ansamblul fenomenelor ce guverneaz trecerea lichidelorapoase prin anumite bariere numite semipermeabile, n particular, membranele celulare aleorganismelor vii. La modul general, fenomenul se petrece ca i cum lichidele apoase intra iextracelulare sunt supuse unei presiuni reciproce numit presiune osmotic, ce impringe lichidulspre interiorul (endosmoz) sau spre exteriorul celulei (exosmoz), urmrind formarea unuiechilibru ionic.

    Presiunea osmotic este similar presiunii gazelor ideale, supunndu-se acelorai legi:1. Legea concentraiilor: la temperatur constant presiunea osmotic este proporional cuconcentraia molar a corpului dizolvat. Legea se aplic soluiilor diluate.

    2. Legea temperaturii: pentru o soluie dat, presiunea osmotic este proporional cucoeficientul (1+t), valoarea lui fiind aceeai ca i pentru gaze. Presiunea osmoticvariaz liniar cu temperatura pna la 40C, dup care legile osmozei nu mai suntrespectate.

    3. Legea lui Vant Hoff:presiunea osmoticeste independent att de natura dizolvantuluict i de substana dizolvat, nedepinznd dect de numrul de particule prezente nvolumul ocupat de soluie.

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    35/80

    35

    4. Legea amestecurilor: presiunea osmotic a unei soluii n care faza dispersat estealctuit din substane diferite, este egal cu suma presiunilor osmotice a fiecrei soluiin parte, iar fiecare substan dizolvat i are presiunea ei proprie, ca i cum s-ar aflasingur n ntreaga cantitate de solvent.

    Soluiile se pot clasifica n adevrate i false, dup cum respect sau nu legile osmozei. Soluiile adevrate sunt cele cristaloide neelectolitice diluate, la care numrul de

    particule corespunde exact cu numrul de molecule dizolvate.

    Soluiile false sunt cele cristaloide electrolitice i coloidale.La concentraiile molare i temperaturi egale, presiunea osmotic a dou soluii diferite careau solventul comun, este aceeai. Aceste soluii se numesc izotone. Mediul cu presiunea osmoticmai mic se numete hipoton fa de cel cu presiunea osmotic mai mare care se numete hiperton.Puse n contact prin intermediul unei membrane semipermeabile apare ntotdeauna un flux desolvent dintre mediul hipoton spre cel hiperton. Denumirile de izoton, hipoton i hiperton sunt datesoluiilor ca grad de comparaii una fa de alta funcie de presiunile osmotice.

    Importana pentru practica medical a studiului fenomenului de osmoz

    Presiunea osmotic a plasmei este de 285 295 mOsm/l sau 7,6 atmosfere sau 5667 mmHg.Presiunea osmotic are rol major n meninerea volumului i n consecin a arhitecturii celulare, nasigurarea integritii morfologice i funcionale a celulelor. Diferenele de presiune osmotic ntrediferitele compartimente ale organismului asigur schimburile de substan la nivelul capilarelor,funcia glomerural, secreia glandular. Osmoza intervine n schimburile de substan dintreorganisme i mediul lor de via, ntre cele dintre celule i mediul extracelular. Pentru a introducediferite soluii n circulaia sanguin, acestea trebuie sa fie izotone pentru a nu produce modificriale volumului celular. Celula conine un osmometru natural cci ii variaz volumul odat cuschimbarea concentraiei mediului extracelular, oferind un model de studiu fenomenelor de

    permeabilitate.Att variaiile n plus ct i cele n minus ale osmolaritii diferitelor sectoare lichidiene ale

    organismului pot amenina nsi existena individului. Exemplu: o deshidratare celular produs caurmare a unei evaporri masive a apei prin transpiraie abundent. Pierderea unei cantiti mari de

    ap va fi urmat de creterea presiunii osmotice a lichidelor extracelulare. n aceste condiii apaintracelular se va deplasa extracelular - osmoz la nivelul membranei celulare, selectiv permeabile.Diminuarea volumului lichidian intracelular va altera metabolismul celular. Intensitatea i durataunei astfel de deshidratri condiioneaz reversibilitatea sau ireversibilitatea alterrilor proceselorcelulare.

    Este sugestiv de menionat c la un deficit de peste 15 % ap din greutatea corporal, pentruun interval de timp de 6-7 zile, survine ncetarea funciilor vitale ale organismului - moartea.

    TRANSPORTUL ACTIV PRIN MEMBRANE CELULARE

    Este forma de transport care necesit energie metabolic.

    a) Necesitatea acestui transport este pentru a extrage din mediu substane cndconcentraia extracelular (Ce) este mai mic dect concentraia intracelular (Ci) ia elimina deeurile din celul n urma metabolismului;

    b) Meninerea unei stri staionare de evident asimetrie ionic inexplicabil doar prinintervenia transportului pasiv.

    Transportul activ se produce mpotriva gradientului electrochimic. Aceast energie provinedin hidroliza legturilor fosfat, bogate n energie, ale acidului adenozintrifosforic (ATP) care setransform n acid adenozinfosforic, (ADP).

  • 8/3/2019 cursuri - TD

    36/80

    36

    Transportul activ primar (pompe)

    Se realizeaz folosind proteine integrale numite pompe ionice membranare. n urmatransportului activ se stabilete gradientul de concentraie n sensul cruia se desfoar transportul

    pasiv. Pompa leag ionul pe o parte a membranei ntr-o anumit zon activ numit situs de legarei, datorit unor modificri conformaionale care intervin n urma legrii ionului, l transfer pecealalt parte unde l elibereaz. Pompa folosete, de obicei, hidroliza ATP n ADP i P.

    Exemplul cel mai cunoscut este ATP-aza Na+/K+ care transloc 3 ioni de Na+ din interiorulcelulei, unde concentraia acestuia este mic, spre mediul extracelular i 2 ioni de K+ din exteriorulcelulei n interiorul acesteia (fi