1

FACTORI FIZICI II

Influena vibraiilor mecanice

Generaliti

Sunetul reprezint o form de transfer la distan a energiei prin intermediul unei succesiuni de comprimri-decomprimri autopropagate prin elementele de mediu. Propagarea sunetului este posibil numai prin mediile alctuite din elemente care pot suferi compresii elastice. Aceste compresii-decompresii se pot realiza pe un plan perpendicular pe direcia de propagare (unde transversale) sau se pot produce n lungul direciei de propagare (unde longitudinale). In vid, sunetul nu se poate propaga. Viteza de propagare a sunetului depinde de impedana acustic specific (Z) a mediului i densitatea acestuia ():

Z

v =

Impedana acustic specific este o constant, care msoar abilitatea materialului de a propaga undele sonore. Unitatea de msur a impedanei acustice specifice este Ns/m3 sau kgs/m2, iar valorile numerice ale lui Z sunt de ordinul 102-103 pentru gaze, 106 pentru lichide i 107 pentru solide. Caracteristicile fizice ale semnalului acustic sunt interpretate diferit prin percepia auditiv cortical. Astfel intensitatea acustic sau nivelul acustic are corespondent subiectiv n tria sonor, frecvena semnalului acustic este perceput subiectiv ca nlime tonal, iar compoziia spectral a semnalului acustic induce timbrul sonor. Deosebim, astfel, dou categorii de caracterisitici pentru sunete: fizice i de percepie. Caracteristici fizice Intensitatea acustic ntr-un punct dat este energia transportat de unda acustic printr-o suprafa de 1 m2 aezat perpendicular pe direcia de propagare. Se msoar n W/m2.

Intensitatea semnalului acustic se exprim prin relaia:

Zp

v

pI aa22

22

==

unde pa este presiunea acustic, definit ca amplitudinea maxim a variaiei presiunii atmosferice. pa maxim a unui semnal acustic nociv este de 30 N/m2, fiind mult mai mic dect presiunea atmosferic (~ 105 N/m2). Sunetele audibile au o

Variaia de presiune atmosferic la propagarea sunetului; pa presiunea acustic, Patm presiunea atmosferic

2

frecven cuprins ntre 16 - 16.000 Hz. pa minim pentru un sunet audibil este de 10-5 N/m2 pentru v Hz= 1000 . In relaia de mai sus, este densitatea mediului iar v este viteza de propagare a semnalului acustic. Pentru aer ( 22,1= Kg/m3, v = 340 m/s) la 30=ap N/m2, Imax = 1 W/m2. Intensitatea minim a unui semnal nc audibil este Imin = 10-12 W/m2 (pentru sunete cu 1000= Hz). Nivelul acustic se exprim prin:

N = 10 log I /Imin unde I este intensitatea sonor, iar Imin este intensitatea minim a unui sunet

de 1000 Hz care mai poate fi auzit, Imin = 10-12 W. N se exprim n decibeli (dB). Nivelul n decibeli al unui sunet de intensitate I poate fi calculat cu relaia:

N = 10 log I + 120 Se observ c un sunet de intensitate minim are 0 db iar unul cu intensitate de 1 W/m2 are 120 db. Caracterul nociv al efectelor produse de sunete este determinat de intensitatea polurii sonore i de timpul de expunere la aciunea ei i se manifest prin scderea capacitii de munc, boli profesionale, afectarea unor funcii fiziologice, tulburri psihice. Nivelul zero de intensitate a zgomotelor i sunetelor corespunde pragului de audibilitate al omului, iar nivelul superior de 200 dB este echivalent cu cel produs de o rachet cosmic n momentul lansrii. Alte zgomote apreciate sunt: fonetul frunzelor - 10/15 dB, o convorbire telefonic - 35/40 dB, un motor de autoturism - 70 dB, traficul marilor orae - 80/85 dB, un perforator pneumatic - 110/120 dB, un avion cu reacie - 140 dB. Frecvena semnalelor sonore este cuprins ntre 0 i infinit. Semnalele acustice cu frecven sub 16 Hz se numesc infrasunete, ntre 16 i 16.000 Hz sunete, ntre 16.000 Hz i 109 Hz ultrasunete iar peste 109 Hz hipersunete. n natur se pot deosebi urmtoarele tipuri de sunete: sunetul pur reprezint sunetul alctuit dintr-o singur und cu o anumit

frecven sunetul muzical (armonic) sunet compus din mai multe frecvene

supradugate din care componenta cu frecvena cea mai joas este frecvena fundamental, iar celelalte sunt armonice cu frecven egal cu un multiplu ntreg al frecvenei de baz. Armonicele pot avea diferite amplitudini.

zgomotul alb sunet compus care conine toate frecvenele posibile i cu amplitudine egal. Este echivalentul luminii albe.

zgomotul sunet compus cu o combinaie neomogen de frecvene i amplitudini.

Caracteristici de percepie In ceea ce privete caracterele percepiei sonore, ele sunt codificate la nivel cortical n felul urmtor: nlimea tonal, sub care se percepe frecvena semnalului acustic este codificat spaial, fiecare frecven component a semnalului acustic fiind receptat distinct i

3

trimis sub forma potenialelor de aciune (PA) prin neuronii auditivi ntr-o anumit regiune a cortexului. Tria sonor cu care percepem intensitatea semnalului acustic se codific, la fel ca n toate mesajele cantitative senzoriale, prin frecvena de repetiie a impulsurilor nervoase. Cnd intensitatea depete capacitatea de transmisie a unei fibre (mai multe sute de impulsuri pe secund) are loc fenomenul de recrutare neuronal, prin care dou sau mai multe fibre particip la transmiterea aceluiai semnal.

Recepia senzorial auditiv Semnalele auditive sunt transformate n poteniale electrice locale la nivelul celulelor auditive din organul Corti (urechea intern). La nivelul organului auditiv putem deosebi dou tipuri de poteniale electrice: 1. poteniale permanente, necondiionate de prelucrarea semnalelor acustice:

poteniale endolimfatice, dintre mediul intracelular al celulelor auditive i endolimf, la nivelul polului ciliar, este de aproximativ 100mV.

potenialul de repaus al celulelor auditive ciliate (-50 -70 mV), msurat ntre citoplasma celulelor auditive i perilimfa.

Aceste poteniale nu sunt implicate direct n prelucrarea informaional ce constituie percepia auditiv, ci asigur pragul energetic necesar traducerii mecano-electrice.

2. poteniale de prelucrare informaional a semnalelor acustice n care distingem: poteniale locale produse de vibraiile membranei bazilare i care se culeg

direct la nivelul celulelor auditive ciliate. Aceste poteniale locale stimuleaz neuronii ganglionari ce produc PA transmise spre centri corticali din aria auditiv. Stimularea celulelor auditive, dispuse de-a lungul canalului cohlear pe membrana bazilar, se produce numai n acele zone n care membrana bazilar vibreaz cu amplitudine maxim. Aceste zone sunt selectate de fenomenul de rezonan la transmiterea undelor sonore prin lichidul endocohlear (endolimfa), de la nivelul ferestrei rotunde spre helicotrem i napoi.

urechea interna modul de propagare a undelor sonore prin canalul auditiv

potenialul microfonic cohlear, ce se poate culege prin electrozi plasai de o parte i de alta a membranei bazilare, ntre endolimf i perilimf, avnd o serie de caracteristici i anume: amplitudinea sa nu respect legea tot sau nimic, nu are prag de detonare, apare pentru orice frecven, depind spre infrasunete (sub 16 Hz) i ultrasunete (peste 16 kHz) zona acustic i nu contribuie la transmiterea semnalelor acustice spre cortex.

poteniale de aciune (PA) din fibrele nervoase auditive, prin care se transmit, modulat n frecven de ctre neuronii ganglionari, informaiile acustice traduse de la nivelul celulelor ciliate auditive ctre aria cortical

4

auditiv. Aceste poteniale conin codificate dou tipuri de informaii: 1. nlimea tonal, codificat prin originea de la nivelul canalului cohlear i zona de proiecie. Sunetele cu frecven mare origineaz la baza melcului iar cele cu frecven sczut la vrf. 2. tria sunetului, codificat prin frecvena de repetiie a impulsurilor. Timbrul sonor se formeaz prin stimularea simultan a diferitelor zone din aria cortical.

Explorarea funciei auditive presupune aprecierea cantitativ a sensibilitii urechii. Audiometria este metode de determinare a pragului de audibilitate (limita inferioar) ce reprezint presiunea sonor minim a unei vibraii sonore cu o anumit frecven ce poate fi perceput de ureche ntr-un mediu foarte linitit. Curba de superioar reprezint pragul senzaiei dureroase. Suprafaa nchis de cele dou curbe reprezint suprafaa de audibilitate. Ea scade cu ct auzul subiectului este mai slab.

pa(N/m2)

1

104

102

10-2

10-4

16384 (Hz)16 1024

Audiograma normal

Ultrasunetele Sunt vibraii mecanice cu o frecven ce depete 16 kHz, ajungnd pn la 109 Hz. Ele se pot produce cu ajutorul unor dispozitive (traductoare) speciale, dintre care cele mai folosite sunt generatoarele piezoelectrice i cele magnetostrictive avnd gama de frecven ntre 1000 i 10.000.000 Hz. Acestea se compun din dou pri principale: un generator ce produce curent electric alternativ de frecvena necesar i un vibrator care transform energia electric a generatorului n vibraii mecanice. Viteza de propagare, ntr-un mediu dat, variaz ntre 300 i 6000 m/s, funcie de proprieti fizice precum densitatea sau impedana acustic. esuturile traversate de ultrasunete (US) sufer o serie de efecte mecanice, termice i chimice, care au la baz fenomene de absorbie de energie:

Efectele chimice sunt caracterizate prin procese de oxidare, mrirea vitezei de reacie i a efectului catalizatorilor etc.

Efectele termice se manifest prin ridicarea temperaturii esuturilor. Reprezint principala form de interacie datorat fenomenului de absorbie a energiei undelor US la trecerea prin esuturi. Efectele mecanice sunt legate de producerea fenomenului de cavitaie, ruperi ale lichidului strbtut de US. Aceste goluri se umplu cu gazele dizolvate n lichid. Cavitile se produc n procesul de destindere a undei care se propag. Pereii cavitii fiind foarte apropiai permit producerea de descrcri electrice n gazele rarefiate din cavitate. Presiunea i temperatura din cavitate sunt sczute.

5

In procesul de formare a cavitii se produc excitri, ionizri i se formeaz radicali liberi (atomi, molecule sau fragmente de molecule ce au un electron periferic cu spinul necompensat). Cum n mediul biologic apa se afl n cantitate foarte mare, US pot produce sonoliza apei cu formarea de H+, OH, H, OH etc. Durata de via a acestor radicali liberi este foarte scurt (10-210-4s) dar mai mare ca cea a cavitii n sine (10-6s), ei acumulndu-se n lichid i constituind un factor determinant n producerea efectelor nocive ale US. Procesul de formare a cavitii este urmat de anihilarea acesteia (n procesul de comprimare a undei). Presiunea i temperatura cresc foarte mult, cu efecte asupra mediului nconjurtor al zonei n care s-au aflat cavitile (descompunerea moleculelor, depolimerizri, inactivri etc.). Datorit aceastor efecte, la nivel celular, US produc ruperea membranei biologice, clarificarea coninutului citoplasmatic, descompunerea acizilor nucleici, desfacerea proteinelor la nivelul legturii peptidice etc, n general afectarea ntregului metabolism celular (celulele tinere sunt mult mai sensibile).

De menionat c influena fenomenului de cavitaie asupra esuturilor biologice la nivelurile de energie a US folosite n terapie sau diagnostic nu a fost complet elucidat. Efectele US depind de intensitatea acestora i de durata de expunere. In raport cu intensitatea, deosebim: a) intensiti mici (5 W/cm2), care produc schimbri ireversibile (nucleele celulelor

se deformeaz i se lizeaz). Datorit efectelor produse, US au n medicin o serie de aplicaii: 1. Ultrasonoterapia acioneaz cu frecvene optime cuprinse ntre 800 3000 kHz, adncimea la care ptrund n esuturi fiind ntre 5 - 7 cm. Menionm c ultrasunetele sunt absorbite dup o lege exponenial de forma :

deII = 0 unde I0 este intensitatea la nivelul sursei, I la distana d de surs, e este baza logaritmilor naturali (e=2.71), iar este un coeficient de absorbie dependent de energia transportat i de mediul strbtut.

Gradul de absorbie a ultrasunetelor depinde de frecven. Astfel, ultrasunetele de frecven nalt sunt puternic absorbite, avnd efect local. Aciunile generale (sistemice) sunt caracteristice frecvenelor joase. Fenomenul fizic principal determinat de absorbia ultrasunetelor la nivelul materiei biologice, este efectul termic. esuturile biologice absorb ultrasunetele n cantitate relativ mare (de exemplu, la 1 Mhz i la 37oC absorbia n esutul hepatic este de aproximativ de 600 de ori mai mare dect n ap i de dou ori mai mare n muchi dect n esutul hepatic, n timp ce grsimile absorb 50% din energia ultrasunetelor). Distribuia cldurii n interiorul esutului depinde de geometria i intensitatea fasciculului, ct i de coeficientul de absorbie. Datorit efectelor termice produse, ultrasunetele se utilizeaz n tratamentul strilor reumatismale, n afeciuni ale sistemului nervos periferic, n nevralgii i nevrite, n

6

afeciuni circulatorii etc. 2. Ultrasonografia un rol deosebit n medicin l are diagnosticul cu ultrasunete. Principiul metodei const n emiterea i recepionarea consecutiv a undelor ultrasonice reflectate de pe suprafaa de separaie a esuturilor cu impedan acustic diferit. Prin aceast metod se poate examina structura esuturilor moi, diagnosticul cu ultrasunete completnd pe cel cu raze X. Metoda se aplic cu bune rezultate la examinarea organelor abdominale, a inimii etc, sau chiar pentru aprecierea vitezei sngelui prin vase. In aceste cazuri se utilizeaz efectul Doppler (variaia frecvenei de propagarea a sunetului emis de o surs mobil, funcie de viteza de deplasare a acesteia fa de receptor). In stomatologie, tehnicile ultrasonice sunt folosite mai ales pentru: 1. diagnosticarea microfracturilor dentare sau a cariilor aprute sub restaurri prin

studiul propagrii pulsului ultasonor la nivelul structurilor dintelui; utilizarea sistemelor ultrasonice puls-ecou permite msurarea vitezei undelor ultrasonore la nivelul dinilor intaci, cu detectarea jonciunilor smal-dentin sau dentin-pulp dentar i msurarea grosimii acestor straturi. S-au putut determina vitezele undelor n smal i dentin pentru fiecare tip de dinte. Exemple de valori ale vitezei undelor ultrasonore de 10 MHz sunt prezentate n tabelul de mai jos:

Material Densitate (kg/m3) Viteza (m/s) Impedanta acustic (kg/m2/s x 106) Aer 1.2 330 0.0004 Ap 1000 1480 1.48 Dentin 2100 3800 8.0 Smal 2900 5700 16.5

In imagine se poate observa joniunea smal-dentin la nivelul coroanei unui molar, obinut prin reconstrucie 2D a datelor experimentale, comparativ cu imaginea seciunii aceluiai dinte.

2. diagnosticarea afeciunilor parodontale marginale; modificrile de la nivelul osului alveolar pot fi evideniate prin examen radiografic al marginilor alveolare. In acest caz apar dificulti legate de abordarea regiunii (ce explic diferenele individuale constatate), marginea fiind mascat de umbra esutului dur al dintelui n regiunea vestibular i lingual. Prin metoda ultrasonic s-a putut elimina acest impediment, structurile alveolare fiind net deosebite pe ultrasonogram.

7

Efectele Radiaiilor Neionizante Generaliti Radiaiile pe care le numim neionizante sunt radiaii de natur electromagnetic cu lungimea de und cuprins n domeniul 150 nm i undele centimetrice. Radiaiile electromagnetice reprezint o form de propagare n spaiu a energiei unui cmp electric E i a unui cmp magnetic B, ai cror vectori oscileaz cu aceeai perioad T, sau frecven , n plan perpendicular unul pe cellalt i care sunt perpendiculare pe direcia de propagare a undei cu viteza v. Orice radiaie electromagnetic poate fi considerat simultan att und ct i corpuscul (foton). In funcie de frecvena undelor, se manifest cu precdere fie unul, fie cellalt aspect. La frecvene joase (unde radio, TV, microunde) predomin caracterul ondulatoriu, iar pentru radiaiile cu frecven mare (infraroii, vizibile, ultraviolete) ncepe s se manifeste i caracterul corpuscular. Pentru explicarea interaciei radiaiilor electromagnetice cu substana (efect fotoelectric, reacii fotochimice, mprtiere), se impune considerarea caracterului corpuscular (flux de fotoni), principalul fenomen fizic rezultat n urma acestei interaciei fiind absorbia de energie. Din categoria radiaiilor neionizante ne vom ocupa de: radiaiile ultraviolete cu ntre 150-400 nm, radiaiile vizibile cu ntre 400-800 nm, radiaiile infraroii cu ntre 800-106 nm, microundele cu ntre 106-109 nm. Absorbia radiaiilor electromagnetice de ctre atomi determin tranziii ale electronilor, de pe nivelele energetice de baz, pe nivele mai ridicate, trecnd astfel din starea fundamental n stri excitate. Dac cuanta de energie absorbit (cantitatea transportat n intervalul unei perioade de oscilaie) este superioar energiei de legtur a electronului n atom, electronul va fi smuls, atomul devenind ion pozitiv. Valorile cuantelor de energie ale radiaiilor UV, vizibile, IR i ale microundelor sunt mai mici dect energia necesar ionizrii atomilor (energia de ionizare este de 13,34 eV pentru hidrogen, de 13,57 eV pentru oxigen, de 11.24 eV pentru carbon, de 14,51 eV pentru azot, n timp ce energia radiaiilor UV este cuprins ntre 12,4-3,1 eV, a radiaiilor vizibile ntre 3,1-1,65 eV, a radiaiilor IR ntre 1,65-1,210-3eV, iar pentru microunde ntre 10-3-10-5eV. In cazul moleculelor formate din cel puin doi atomi, trebuie s inem seama c nivelele energetice ale unei molecule nu sunt date (ca n cazul atomilor) numai de valorile energiei electronilor (Eel), ci i de energia de vibraie (Evibr) i de energia de rotaie (Erot) a atomilor din molecul. Valorile Evibr i Erot sunt tot cuantificate, ca i Eel, iar ntre aceste nivele sunt posibile mult mai multe tranziii dect n cazul nivelelor electronice. Trebuie remarcat faptul c diferenele ntre nivelele electronice sunt mai mari dect ntre nivelele de rotaie sau vibraie. De aceea, tranziiile ntre nivelele electronice se fac cu absorbia sau emisia unor cuante de energie corespunznd radiaiilor UV i vizibile; tranziiile vibro-rotaionale corespund domeniului IR iar tranziiile de rotaie pur corespund fie domeniului IR ndeprtat, fie microundelor. Eel este de ordinul 1eV, Evibr este de ordinul 10-1eV, iar Erot este de ordinul 10-2eV. In ansamblu, pentru o molecul oarecare:

8

rotvibrel EEEE ++=

Se tie c ntr-un atom (sau molecul) pot exista doi electroni care s ocupe simultan acelai nivel energetic (s se gseasc n acelai orbital), cu condiia ca acetia s aib spinul opus (prin spin se nelege momentul cinetic propriu al electronului datorit rotaiei n jurul axei proprii. Spinul electronic poate avea numai dou valori egale n modul, dar opuse ca semn). Atunci cnd un electron absoarbe o cuant de energie electromagnetic, el trece pe un nivel energetic superior (este excitat) i n mod normal nu-i schimb starea spinului. Respectiva stare excitat este numit n acest caz singlet. Dei cu probabilitate mult mai mic, este totui posibil ca odat cu excitarea, electronul s-i inverseze i spinul, respectiva stare numindu-se triplet. Timpul de via al strilor excitate este n general foarte mic (10-910-8s), datorit tendinei spontane a electronului de a reveni n starea fundamental. Deoarece tranziia din starea triplet n starea fundamental nseamn iari o inversare de spin, timpul de via al strii triplet este mai mare (ntre 10-5 i cteva secunde) dect cel al strii singlet. In acest interval de timp mai lung este posibil ca molecula excitat s transmit surplusul de energie altei molecule (prin ciocniri) i s l emit sub form de radiaie electromagnetic. Dezexcitarea moleculei se poate face deci prin tranziii neradiative i, respectiv, tranziii radiative (fluorescen, fosforescen):

Fluorescena se realizeaz atunci cnd electronul revine n starea singlet fundamental dintr-o stare excitat tot singlet.

Fosforescena se realizeaz atunci cnd electronul revine n starea singlet fundamental dintr-o stare excitat triplet.

In cazul tranziilor neradiative, energia fotonului absorbit este fie convertit complet n cldur (agitaie termic) prin ciocniri, fie transferat parial altei molecule, capabil s treac, la rndul ei ntr-o stare excitat.

Moleculele de importan biologic (proteine, acizi nucleici etc.) conin de regul, un mare numr de atomi, astfel c, n acest caz, ca urmare a absorbiei radiaiei de ctre acestea, sunt posibile foarte multe tranziii ntre diferitele nivele de energie: electronice, de vibraie i de rotaie. De aceea spectrele de absorbie ale acestor molecule nu conin linii spectrale distincte ca n cazul atomilor izolai, ci grupuri de benzi. Pe de alt parte atunci cnd aceste molecule se gsesc n soluie sau n contact strns cu alte molecule, aa cum este cazul n celule, rotaia moleculelor i chiar vibraiile sunt modificate de prezena celorlalte molecule, efectul fiind o suprapunere a nivelelor energetice n aa msur nct n loc de linii sau benzi de absorbie, spectrul de absorbie devine continuu.

Radiaiile ultraviolete i vizibile

Radiaiile electromagnetice cu ntre 150 - 800 nm sunt radiaii care activeaz moleculele. Radiaia absorbit posed energie suficient pentru a determina transformarea moleculelor pe baza unor reacii fotochimice. Principalele tipuri de reacii fotochimice sunt:

9

Excitarea moleculelor M -------------->M* Reacii fotochimice M*+A --------->D Reacii de dimerizare M*+M -------->MM Reacii de fotosensibilizare M*+N -------->M+N*

Prima relaie red excitarea moleculei iniiale, a treia i a patra relaie sunt cazuri particulare de reacii fotochimice. Se definete randamentul fotochimic ca raport ntre numrul de molecule transformate i numrul de cuante de energie absorbite. Randamentul este subunitar, radiaia absorbit nu duce n mod obligatoriu la o reacie fotochimic (absorbia fotonilor constituie numai etapa primar, urmat de o succesiune de alte etape secundare ce conduc la transformarea fotochimic propriuzis. Procesele fotobiologice Dei procesele fotobiologice sunt foarte diverse i nc incomplet elucidate, pentru unele din ele se pot distinge urmtoarele stadii: 1. Absorbia cuantelor radiaiilor; 2. Procese intramoleculare cu schimb de energie; 3. Transportul energiei strii excitate ntre molecule (migraia energiei); 4. Reacia fotochimic primar; 5. Modificrile la ntuneric ale produilor fotochimici primari, care se sfresc cu

formarea unor produi stabili; 6. Reacii biochimice cu participarea fotoproduilor; 7. Rspunsul fiziologic celular.

Procesele fotobiologice ncep cu absorbia radiaiilor incidente de ctre compui specifici, specializai, biologici i se ncheie cu iniierea unei reacii fiziologice din partea sistemului biologic. Se disting procese fotobiologice cu efecte negative i efecte pozitive: 1. Efectele negative n organismele vii se mpart n dou tipuri:

efecte fototoxice Efectele fototoxice sunt modificrile produse de radiaii la nivelul pielii i ochilor. Acestea declaneaz reacii fiziologice reactive care se manifest clinic sub form de eritem, edem, pigmentaie. Apariia eritemului i a pigmentaiei se datoreaz absorbiei radiaiilor cuprinse ntre 240-320 nm, pentru eritem i ntre 300-420 nm pentru pigmentaie. Se presupune c mecanismul molecular n apariia eritemului ar fi lezarea termic a fosfolipidelor ce intr n constituia membranelor biologice. Pigmentaia este realizat de celule speciale din piele, melanocite, care cu ajutorul unei enzime, tirozinaza, transform tirozina n melanin (pigment ce absoarbe 90% din radiaiile UV). Asupra ochilor, radiaiile UV produc o reacie inflamatorie a corneei, de aceea se recomand, pentru protecie, folosirea unor ochelari din sticl special. efecte fotoalergice

10

Efectele fotoalergice declaneaz mecanismele imunologice primare de sensibilizare alergic, ce se manifest mai ales prin edeme inflamatorii, eritem, prurit.

2. Efectele pozitive sunt: Fotosinteza, fototropism, fototactism (la plante) i fotoperiodism. Fotorecepia la nivelul celulelor senzitive retiniene. Formarea vitaminei D2. Eritemul caloric.

Fotosinteza, ca mecanism, a fost descris anterior. O serie de plante prezint fenomenul de fototropism, fenomen ce se concretizeaz prin tendina unor plante de a se orienta n direcia sursei de lumin. Fenomenul de fototactism se refer la tendina de apropiere sau de deprtare de sursa de lumin. Fotoperiodismul const n reglarea ciclului de via al organismelor vii (plante sau animale) pe baza aciunii ciclice lumin-ntuneric. Procesul se petrece sub aciunea luminii vizibile.

Mecanismul molecular al fotorecepiei senzoriale Receptorii vizuali, celulele cu bastona, reprezint un exemplu de celul receptoare la care a fost elucidat n detaliu succesiunea de procese moleculare prin care stimulul (radiaii vizibile cu ntre 400 i 800 nm) determin apariia potenialului de receptor. Celulele receptoare din retin sunt de dou tipuri: celule cu conuri i celule cu bastona. Conurile sunt responsabile cu vederea diurn sau fotopic, iar bastonaele de vederea crepuscular (scotopic). Segmentul extern de bastona din retin, specializat n fotorecepie, conine circa 1000 de discuri suprapuse unul peste cellalt. Fiecare disc este un organit separat n citoplasm. Discurile sunt spaii nchise delimitate de o membran foarte fluid avnd o proporie foarte mare de fosfolipide i foarte puin colesterol. Discul conine 60% proteine i 38% lipide, iar rodopsina reprezint 80% din totalul proteinelor. Rodopsina se gsete n membrana discurilor i n membrana citoplasmatic a segmentului extern de bastona, dar nu i n restul membranei citoplasmatice a acestui tip de celul. Rodopsina conine o parte proteic opsin i o grupare prostetic numit retinol, ataat specific ntr-un loc hidrofob pe protein. Rodopsina este insolubil n ap. Ea reprezint proteina fotoreceptoare din retin. O celul cu bastona este excitat de un singur foton. Sub aciunea acestuia are loc izomerizarea retinolului din forma 11-cis n forma 11-trans, ceea ce schimb foarte mult geometria acestuia. El nu se mai potrivete steric n locul de legare de pe protein. Apar modificri conformaionale ale proteinei, ce au ca urmare desfacerea retinolului de opsin i descompunerea rodopsinei. Procesul este reversibil la ntuneric (ciclul Wald). Membrana citoplasmatic a segmentului extern de bastona conine numeroase canale de Na+, care n condiii de ntuneric sunt deschise, permind ionilor de Na+ s intre, ca urmare a potenialului lor electrochimic mare din mediul extracelular. Ionii de Na+ intrai nu se acumuleaz n celul, deoarece sunt evacuai continuu de pompele ionice din membrana corpului celulei receptoare, urmnd s reintre n bastona prin canalele de Na+. Se creeaz astfel un curent electric transportat de

11

ionii de Na+, numit curent de ntuneric. Potenialul electric intracelular este de -20 mV n raport cu potenialul zero al mediului extracelular. Sub efectul luminii, rodopsina se activeaz i determin, printr-o cascad de 4 cicluri biochimice (ciclul Wald, ciclul traductinei, ciclul fosfodiesterazei i ciclul cGMP), nchiderea canalelor de Na prin dispariia cGMP. Astfel, curentul de ntuneric se ntrerupe i se produce hiperpolarizarea celulei (al crei potenial devine mai negativ, -35 mV). Aceast variaie este suficient pentru a declana excitaia neuronilor bipolari. Potenialele locale aprute n neuronii bipolari determin excitarea neuronilor ganglionari, care genereaz PA, ce ajung la nivelul scoarei unde produc senzaia vizual. Faptul c este suficient o singur cuant de lumin pentru a produce excitarea receptorului, n timp ce energia necesar hiperpolarizrii este cu mult mai mare, sugereaz c modificarea spaial a moleculei de rodopsin reprezint doar declanarea unor procese biochimice de recrutare energetic. Aceste procese consumatoare de energie metabolic determin apariia potenialelor locale a cror amplitudine este proporional cu intensitatea luminii incidente. Variaiile locale de potenial membranar, sunt preluate i nsumate de celulele bipolare retiniene. PA a cror frecven este proporional cu intensitatea stimulului, apar numai la nivelul celulelor ganglionare, respectiv n fibrele nervului optic. O alt reacie fotochimic deosebit de important pentru orgasnism, i care se produce n piele n urma absorbiei radiaiilor ultraviolete, este reacia de transformare a ergosterolului n vitamina D2. Spectrul de aciune are un maxim la 280 nm. Aciunea biologic a radiaiilor infraroii (eritemul caloric) este consecina absorbiei lor de ctre celulele pielii i a esutului subcutanat (putere mic de ptrundere). In urma absorbiei radiaiilor infraroii, pielea i esutul subcutanat se nclzesc, ceea ce face s creasc metabolismul local i s se produc, de asemenea, o vasodilataie local. Aceste radiaii, n funcie de doza absorbit i de starea pacientului, pot fi folosite n tratamentul unor afeciuni, cum ar fi: edeme inflamatorii, celulite, tulburri de circulaie periferic etc.