Biofizica este știința care studiază fenomenele fizice din sistemele biologice cu ajutorul teoriilor si tehnicilor fizico-matematice. Se ocupă de 3 probleme fundamentale:

1. Studierea fenomenelor fizice implicate în funcționarea sistemelor biologice

2. Folosirea tehnicilor fizice pentru cercetarea unor probleme de biologie3. Cercetarea efectelor biologice ale factorilor fizici

Apariția biofizicii este o consecință a folosirii din ce în ce mai largi a tehnicilor fizice în științele biologice, în medicină, a necesității unei abordări cantitative și analitice a fenomenelor biologice.

Înclinarea omenească de a explica funcționarea organismului s-a conturat încă din antichitate. Astfel în antichitate erau folosite fenomenele și factorii fizici în vederea prevenirii și vindecării unor maladii. Astfel antichitatea romană cunoștea talasoterapia, popoarele bazinului mediteranean foloseau plaja și solarul conștienți de efectul razelor UV. În evul mediu se remarcă Leonardo da Vinci cu studii asupra zborului păsărilor, preocupări pe care le încadrăm azi în biomecanică. În sec. XVIII se remarcă L. Galvani prin observațiile sale asupra excitabilității mușchiului de broască. În sec. XIX Helmholtz a măsurat viteza influxului nervos. În sec. XX, menționăm lucrările lui Danielli asupra structurii membranelor biologice, apoi G. Palade a inițiat aplicarea microscopului electronic în cercetarea biologică.

Relația Biofizicii cu alte științe:

1. Științe fizice:Fizica, Chimia, Biochimia

2. Cibernetica

3. Științe bio-medicale: Genetica, Fiziologia, Fiziopatologia, Clinca medicală

4. Problematica specială: Principii și mecanisme fizice ale funcționării sistemelor biologice, Interacția sistemelor biologice cu factorii fizici ambienți

5. Metode: Experimentale, Teoretice

6. Aplicații: Clinice, Agrozootehnice, Industriale

Notiuni de fizica moleculara a lichidelor

Forte si legaturi intermoleculare în lichide.

Moleculele lichidelor interacționează în general prin forte de tip Van de Waals. Legaturile Van der Waals se întâlnesc în cazul dipolilor electrici. Într-un dipol electric centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu cel al sarcinilor negative. Moleculele pot fi dipoli instantanei pentru un interval de timp foarte scurt, dar, prin mediere în timp, acest comportament dipolar dispare în cazul moleculelor perfect simetrice. În general, moleculele se pot comporta ca dipoli permanenti sau indusi (în prezenta unor câmpuri electrice exterioare moleculele nepolare pot deveni dipoli indusi). Dintre dipolii permanenti se pot mentiona apa, lipidele, proteinele etc.

Fig. 1

Interactiile Van der Waals pot fi, în functie de caracterul dipolului, de tip:

- dipol instantaneu – dipol instantaneu;

- dipol instantaneu – dipol permanent;

- dipol permanent – dipol permanent.

Un alt tip de legaturi întâlnite la lichide sunt cele coordinative (mai puternice). În acest caz exista o suprapunere partiala a norilor electronici ai moleculelor. Între moleculele lichidelor exista si forte de repulsie datorate respingerii sarcinilor de acelasi fel.

În functie de natura legaturilor pe care le contin, lichidele sunt:

- simple (contin numai legaturi Van der Waals – exemplu, alcoolul);

- complexe (în afara legaturilor van der Waals contin si alte legaturi, mai ales de tip coordinativ – exemplu, apa). Un grup special îl constituie cristalele lichide în care legaturile intermoleculare realizeaza structuri ordonate unidimensional si chiar bidimensional, extinse pe distante mari

Tipuri de legaturi moleculare in lichide Legaturi Van der Waals

dipol permanent – dipol permanent dipol indus – dipol indus dipol permanent – dipol indus

Legaturi de hidrogen (H) (coordinative) Interactii ion-ion Interactii ion-dipol

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

Legături van der Walls

Legături de hidrogen

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

Cristale lichide: Sunt faze intermediare (mezofaze), anizotrope, de trecere de la solid la lichid pentru anumite substante. Au proprietati: de lichid– fluiditatea, de solid (cristalin) – structură ordonată spațial Tipuri de Cristale lichide Termotrope : tranzitia la faza de cristal lichid este influentata de temperatura Nematice Smectice (ex: mielina) Colesterice – sunt optic active (ex: colesterolul)

Liotrope : tranzitia la faza de cristal lichid e influentata de concentratie (si mai putin de temperatura). Exemplu: Membranele celulare

Cristale lichide termotrope

Nematice Moleculele ordonate cu axul mare paralel Nu se diferentiaza straturi Optic active Smectice Moleculele ordonate cu axul mare paralel Ordonare in straturi care pot aluneca unul peste celalalt

Colesterice Moleculele orientate paralel intr- un strat Structura helicoidala Optic active Isi schimba culoarea in functie de temperatura: reflecta lumina cu lungimea de unda = pasul helicoidei (p), Temperatura modifica pasul helicoide

Cristale lichide lipotrope

Molecula de apa

Structura moleculei de apă

1H: 1s1; 8O: 1s22s22p4

 

. .H : O : ; . .

H 

. .H ¾ O : ;

½H

 

H2O

 

Atomul de oxigen este legat covalent de cei doi atomi de hidrogen, între oxigen și fiecare hidrogen este o distanță de 0,99A.Direcțiile celor două legături O-H formează între ele un unghi de 105grd.Cei 10 electroni ai apei sunt distribuiți astfel încât densitatea electronică maximă se află în vecinătatea atomului de oxigen, în consecință centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu cele negative, în consecință molecula de apă se comportă ca un dipol electric.

Structura moleculei de apă

Aranjament spațial tetraedric, Dipol electric

Apa poate exista in trei stari de agregare:

solida - gheata; lichida - apa;

gazoasa - vaporii de apa.

Apa în stare lichidă

Modele ale apei lichide: Modelul retelei cristaline partial distruse: Datorita agitatiei termice unele

legaturi de H se rup, apar domenii microcristaline intre care circula molecule libere

Modelul gramezilor temporare: cooperativitate in formarea si desfacerea legaturilor de H, apar domenii dinamice

Modelul domeniului unic: modelul actual; un domeniu unic cu discontinuități locale

Modelul actul:forma și dimensiunile grămezilor de molecule se schimbă în permanență ca urmare a formării și ruperii continue de legături de hidrogen.

Apa in stare solida: Forme diferite de cristalizare, in functie de temperatura, presiune,

existenta unor nuclei de cristalizare Cele mai comune forme, la presiune atmosferica: Gheata hexagonala

(temperaturi -80 – 0 º C), Gheata cubica (temperaturi < -80 º C) Legaturile de H formate sunt permanente

Ghiața hexagonală

Ghiața cubică

Proprietatile fizice ale apei. Rolul apei în sistemele biologice.

Proprietatile fizice ale apei. Apa are proprietati fizice speciale, care se explica prin caracterul ei dipolar si prin capacitatea de a forma legaturi de H. Dintre cele mai importante pentru sistemele biologice se pot mentiona:

- caldura specifica mult mai mare decât cea a oricarei substante solide sau lichide, este foarte importanta în procesele de termoreglare la nivelul organismului viu. De exemplu, eforturi musculare intense ar putea duce la o supraîncalzire.

- conductibilitate termica de câteva ori mai mare decât cea a majoritatii lichidelor : “amortizor termic” al apei în organism;

- caldura latenta de vaporizare mult mai mare decât a altor lichide: factor determinant al homeotermiei (transpiratie);

- densitate maxima la 40C – importanta pentru viata acvatica

- constanta dielectrica foarte mare – favorizeaza disociatia electrolitica

- tensiune superficială mare (fenomene interfaciale, capilaritate)

Rolul apei în sistemele biologice: apa este un component major al materiei vii.

Date privind compoziția în apă a unor țesuturi și organe: creier 77%, ficat 75%, plămân 81%, inimă 77%, rinichi 78%, mușchi 76%, dinte 9%, os 43%, păr 4%. Organismul uman are un mare continut în apa (65-70%). O mare parte a apei din organism manifesta proprietăti fizice deosebite: se evapora foarte greu, îngheata la temperaturi mult sub 00C, nu dizolva cristaloizii, nu participa la osmoza – aceasta este apa legata. Existenta apei legate se explica prin prezenta unui mare număr de specii moleculare, macromoleculare si ionice, care structurează apa din jur. O mare parte a apei intracelulare prezintă un grad superior de ordonare. Aceasta ordonare are un rol important în desfăsurarea proceselor celulare (excitatie, contractie, diviziune, secretie etc). O serie de studii au arătat ca apa este “compartimentalizată”: exista apa libera, apa partial legata si apa legata, fiecare din aceste compartimente având proprietăti specifice.

Modificări biologice induse de deuterizarea apei intracelulare

Rolul deosebit de important pe care îl joacă apa în structura și funcția sistemelor biologice poate fi apreciat și după efectele produse de înlocuirea apei cu apa grea. Analizând structura moleculară a apei grea, arată un grad de ordonare mult mai ridicat. Proprietățile fizico chimice ale apei grea depind de faptul că deuteriul realizează legături coordinative mai puternice cu elementele electronegative de tipul O sau N și acest fapt ar putea avea ca rezultat realizarea în celulă a unor complexe apă-proteine mai stabile. Înlocuirea apei cu deuteriul duce la disocierea răspunsului electric de cel mecanic în fenomenul contracției musculare, forța de contracție scade. La nivelul miocardului apar modificări profunde evidente pe ECG. La nivelul fibrei nervoase, crește pragul de excitabilitate al fibrei nervoase