biofizicĂ medicalĂ curs 2.docx
Post on 20-Dec-2015
7 Views
Preview:
TRANSCRIPT
BIOFIZICĂ MEDICALĂ
Biofizica medicală cuprinde studiul şi aplicarea legilor fizicii în biologie şi medicină.
Biofizica ^ fenomenele fizice implicate în funcţionarea sistemelor biologice, fiind o ştiinţă care
utilizează tehnici şi concepte fizico-chimice pentru cercetarea fenomenelor lumii vii.
Biofizica foloseşte aproape toate domeniile clasice şi moderne ale fizicii:
- Biomecanica ^ diferitele tipuri de locomoţie animală până la motilitatea celulară
- Bioelectricitatea ^ ansamblul fenomenelor electrice din lumea vie, la nivel celular,
tisular şi de organ
- Biotermodinamica şi bioenergetica ^ generarea, stocarea, conversia energiei la nivel
celular şi problemele energetice ale sistemelor biologice la nivel supraindividual
- Biocibernetica ^ mecanismele reglării şi transmiterii de informaţii în sistemele biologice
- Radiobiologia ^ fenomenele ce au loc la interacţiunea radiaţiei cu
materia vie Fenomenele fizice stau la baza funcţionării mecanismelor
biologice
I. BIOFIZICA MOLECULARĂ
Materia este compusă din particule distincte numite atomi. Molecula reprezintă
particula cea mai mică a oricărui corp, ce are însuşirile caracteristice ale substanţei respective.
În cadrul biofizicii moleculare se studiază fenomene termice, mecanice, de energie
superficială, de atracţie intermoleculară, etc.
a) Mişcarea Browniană
Mişcarea browniană (numită după botanistul Robert Brown) este o mişcare spontană,
complet haotică şi dependentă de temperatura mediului, a unor particule aflate într-o
suspensie coioidală sau dispersie gazoasă .
Moleculele lichidului aflate în permanentă mişcare, ciocnindu-se de o particulă solidă, îi
transmit acesteia o cantitate de mişcare oarecare. Dacă particula aflată în suspensie în lichid are
dimensiuni mari, numărul moleculelor de lichid care acţionează asupra ei din toate direcţiile este
de asemenea mare, atunci şi acţiunea lor se compensează practic menţinînd corpul într-o stare de
nemişcare aparentă.
Dacă particula este mică, echilibrul nu se mai realizează, astfel particula este pusă în
mişcare. Deci mişcarea browniană are loc sub influenţa mişcărilor dezordonate ale moleculelor
lichidului.
Caracteristica principală a mişcării browniene este neregularitatea.
Mişcarea browniană este condiţionată de energia cinetică a particulelor, viteza lor fiind
micşorată faţă de cea a moleculelor libere, din cauză că particulele în mişcare browniană sunt de
milioane de ori mai mari decît moleculele obişnuite.
b) Coeziunea
Moleculele aceluiaşi corp se atrag între ele în virtutea unei forţe numită coeziune. În
toate stările de agregare moleculele exercită unele faţă de altele această forţă de atracţie.
Conform legilor atracţiei electrostatice orice stările de agregare a materiei sunt datorită
distanţei dintre molecule.
Asfel :
- substanţele solide avînd distanţa dintre molecule mai mică au forţa de
coeziune mai mare
- la substanţele lichide distanţa intramoleculară este mai mare, deci forţa de
coeziune este mai mică
- gazele au moleculele foarte îndepărtate deci coeziunea este foarte mică
Datorită dependenţei stării de agregare de distanţa dintre molecule, se poate folosi în
practică, de ex. pentru a avea CO2 lichid se comprimă CO2 gazos la 70 atmosfere deci se
micşorează de 70 ori distanţa dintre molecule mărindu-se coeziunea iar substanţa gazoasă devine
lichidă.
Distanţa pînă la care se poate exercita coeziunea este limitată de raza acţiunii
moleculare numită sfera de acţiune moleculară.
c) Adeziunea
Adeziunea este forţa care ia naştere între moleculele superficiale a două corpuri diferite
puse în contact.
La contactul între un corp solid şi unul lichid cel mai des este cazul cînd lichidul udă
solidul (apă - sticlă). O picătură de apă rămîne de ex. lipită de sticlă deşi greutatea ei ar trebui să
o facă să se rostogolească şi să cadă. În acest caz forţa de adeziune este mai mare ca forţa de
coeziune, pentru că adeziunea a împiedicat menţinerea corpului lichid în forma iniţială şi a
produs despărţirea unor picături din masa lichidului. O picătură de apă pe o sticlă nu rămîne
sferică ci se turteşte, fiindcă moleculele plăcii atrag puternic pe cele ale apei.
În cazul lichidelor în care coeziunea dintre molecule este mai puternică (ex. mercurul),
atunci lichidul respectiv nu mai udă sticla, adeziunea dintre mercur şi sticlă fiind mică.
Un alt caz de adeziune este cel al lichidelor în vase. Observînd apa dintr-un vas, se
constată că suprafaţa ei este un plan orizontal, dar în apropiere de pereţii vasului apa se ridică
datorită faptului că un strat de molecule aderă la sticlă, prin coeziune acest strat atrage altul, şi în
continuare.
Dacă în vas se află mercur adeziunea nu predomină, iar coeziunea dă formă concavă
suprafeţei.
d) Tensiunea superficială a lichidelor din organism
Suprafaţa de separare dintre două medii are caracterul unei membrane elastice.
Lichidele din organism fiind în general soluţii apoase, au o tensiune superficială mai
mică decît a apei curate. Suprafaţa lichidelor organice din celulele şi capilarele corpului este
foarte mare faţă de volumul lor. Proteinele trebuie deci să fie concentrate la suprafaţa acestor
lichide în straturi monomoleculare, al căror rol are o importanţă deosebită pentru schimbul de
substanţe.
e) Capilaritatea
Este fenomenul de ridicare în tuburi capilare a nivelului lichidului care udă vasul şi de
coborîre a acestui nivel la lichidele care nu udă pereţii vasului. Capilarele sunt tuburile care au
lumenul mai mic de 1mm.
În vasele comunicante cu un diametru destul de mare, lichidele au acelaşi nivel. Dacă
unul din vasele comunicante are dimensiuni capilare, atunci lichidul care udă vasul se urcă în
capilare mai mult ca în vasul cu diametrul mare.
În biologie şi medicină, capilaritatea este aplicată în fenomenele de pătrundere a
lichidelor prin corpurile poroase, porii fiind ca nişte canale capilare care favorizează adeziunea
lichidelor.
Ex. emboliile gazoase: într-un capilar coloana de lichid este greu pusă în mişcare chiar
exercitîndu-se asupra ei o presiune, dacă din loc în loc este întreruptă de mici cantităţi de gaz
numite embolii gazoase. Asfel prezenţa aerului sau azotului în vasele capilare opreşte circulaţia
din ele. Acest fel de embolii se produc de ex. cînd se deschid venele gîtului unde presiunea
sanvină este inferioară celei atmosferice şi aerul este absorbit în vasele sangvine.
f) Vîscozitatea
Lichidul în mişcare este compus din mai multe straturi care prin mişcarea lor determină
o frecare interioară care constituie vîscozitatea.
Vîscozitatea este o proprietate generală a fluidelor şi depinde de temperatură ( la
temperatură scăzută vîscozitatea creşte).
Vîscozitatea sîngelui
La temperatură normală vîscozitatea este 3,8-5,5. Sîngele fiind o suspensie, vîscozitatea
este cea a sistemelor heterogene, iar creşterea ei depinde de volumul total al particulelor.
Astfel prezenţa unei cantităţi crescute de CO2 în sînge are ca efect umflarea
celulelorsangvine deci mărirea volumului lor total în consecinţă creşterea vîscozităţii. De aceea
sîngele venos este mai vîscos decît cel arterial. Vîscozitatea mai creşte în : HTA, consum de
alcool, oboseală, etc.
g) Difuziunea
Difuziunea este fenomenul de pătrundere a moleculelor unei substaţe printre moleculele
alteia. Este caracteristică gazelor, lichidelor şi solidelor.
Difuziunea gazelor
Experiment : umplînd un vas aşezat cu gura în sus cu CO2 şi aşezînd deasupra cu gura
în jos un vas la fel de mare umplut cu H, cele două gaze deşi au densităţi diferite, difuzează şi se
amestecă, H trecînd jos şi CO2 urcînd sus (deşi CO2 este de 22 ori mai greu decît H). Cauza
acestei difuziuni este mişcarea moleculară a celor două gaze.
Viteza de difuziune variază cu natura, presiunea şi temperatura gazelor.
Difuziunea gazelor în organism se face cu o viteză proporţională cu coeficientul de
solubilitate al gazului în lamela lichidă prin care traversează.
La temperatura corpului omenesc se obţin următoarele valori: N =1, O=1,7, CO2 = 42.
În cazul scimburilor respiratorii se observă că presiunea oxigenului descreşte astfel: în
atmosferă 152 torri, în alveole 99,8 torri, în artere 91 torri, şi în ţesuturi aproape 0. Deci oxigenul
va pătrunde din atmosferă în alveole, apoi în sîngele venos şi va difuza în ţesuturi unde va
întreţine combustiile intratisulare.
În cazul CO2 presiunea lui parţială se micşorează de la ţesuturi 53-76 torri, la sîngele
venos 41 torri, la aerul alveolar 40 torri, şi la aerul atmosferic unde presiunea este aproape 0.
deci acest gaz va difuza cu uşurinţă de la ţesuturi spre atmosferă.
Difuziunea lichidelor
Experiment : într-un pahar cilindric cu apă distilată se introduce cu ajutorul unei pipete
pe fundul paharului, o soluţie concentrată de sulfat de cupru ( CuSO4) : soluţia se aşează pe
fundul paharului deplasînd în sus apa distilată. Lichidul din pahar este alcătuit din două straturi
separate, iar prin mişcarea paharului suprafaţa de separare se ondulează ca şi cînd ar exista o
membrană separatoare. Lăsînd paharul acoperit se observă că după cîteva ore dispare membrana
de separaţie, iar după cîteva zile va fi o soluţie uniformă în tot paharul. În acest experiment
soluţia de CuSO4 a difuzat în apa distilată.
Legile difuziunii lichidelor:
- viteza de difuziune variază cu natura substanţei care difuzează
- viteza variază cu starea cristaloidă sau coloidă a substanţei
- cantitatea de substanţă care difuzează în unitatea de timp depinde de concentraţia
soluţiei examinate
- cantitatea de substanţă care difuzeză creşte cu temperatura
h)Osmoza
Difuziunea lichidelor printr-o membrană se numeşte osmoză, şi se produce cînd cele
două lichide udă membrana de fiecare parte.
Membranele prin care are loc difuziunea se clasifică în :
- membrane permeabile cu rol de barieră, care opun o rezistenţă, dar permit trecerea
apei, electroliţilor şi a unor molecule
- membrane semipermeabile care în general sunt permeabile doar pentru apă, şi pot fi :
biologice sau artificiale, organice sau anorganice
- membrane selective care permit trecerea numai anumitor substanţe
Aparatul cu care se determină osmoza se numeşte osmometru şi este format dintr-un
vas de sticlă al cărui fund este o membrană animală (vezică), iar în partea de sus se continuă cu
un tub de sticlă.
Osmometrul se umple cu apă în care s-a dizolvat de ex. o cantitate de zahăr, şi se aşează
vertical într-un cristalizator cu apă distilată. După un timp nivelul lichidului se urcă în tubul
osmometrului şi la un moment dat se opreşte. Urcarea apei din cristalizator în osmometru se face
cu ajutorul unei forţe care învinge forţa gravitaţiei şi care se numeşte presiune osmotică.
Fenomenul se desfăţoară în două etape:
- un curent de lichid din cristalizator pătrunde în osmometru = endosmoză
- după un timp un curent de soluţie de zahăr iese din osmometru şi intră în cristalizator
= exosmoză.
Deci osmoza constă în trecerea solventului printr-o membrană semipermeabilă care
separă două medii cu concentraţii diferite şi are loc dinspre soluţii diluate spre soluţii
concentrate pînă la echilibrarea celor două soluţii.
Importanţa biologică a osmozei
Osmoza intervine în multe procese fiziologice care au loc în interiorul plantelor şi
animalelor, jucând un rol important în schimbările dintre organisme şi mediul lor de viaţă,
între celulele şi mediul extracelular.
OBS.
Ocelulă introdusă într-o soluţie izotonică nu va suferi nici o modificare a volumului,
deoarece nu se produce nici un schimb de substanţă între soluţie şi citoplasmă.
- Turgescenţa reprezintă fenomenul de mărire a volumului unei celule prin
pătrunderea apei în interiorul ei (endosmoză).
- Atunci când celulele se găsesc într-o soluţie hipotonică, apa intră în celulă
căutând să dilueze conţinutul ei.
- Fenomenul invers, de micşorare a volumului unei celule prin ieşirea apei,
atunci când se găseşte într-o soluţie hipertonă se numeşte plasmoliză.
Hemoliza:
- Dacă celula este o hematie şi se introduce într-o soluţie hipotonică, ea se va
umfla
datorită pătrunderii apei, însă doar până la o anumită limită, când se va rupe şi în
consecinţă va elibera hemoglobina trecând în lichidul de suspensie.
- Fenomenul de rupere a hematiei se numeşte hemoliză iar volumul la care
se rupe hematia se numeşte volum critic de hemoliză.
- În final celula moare, iar fenomenul se numeşte citoliză.
OBS.
Izotonia este o condiţie importantă de care trebuie să se ţină cont atunci când se
introduc cantităţi de lichid în sânge, fie în scop curativ (prin injecţii intravenoase), fie în
cazul conservării sângelui. Pentru a nu se modifica echilibrul osmotic al serului sanguin,
soluţiile injectate trebuie să aibă aceeaşi presiune osmotică.
La animale, ca urmare a existenţei substanţelor coloidale (substanţe cu diametrul 1 -
100 m m) apare o presiune coloid osmotică (oncotică).
- Formarea edemelor în stările patologice se explică prin dereglarea
presiunii coloid osmotice.
- Membranele animale nu sunt perfect semipermeabile, deoarece lasă să treacă
şi
substanţele cristaloide dizolvate, dar nu lasă să treacă suspensiile coloidale. Această însuşire
permite separarea substanţelor sub formă coloidă de cele cristaloide, proces ce se numeşte
dializă.
Soluţia cu amestecul de coloizi şi cristaloizi se introduce în vasul prevăzut cu
membrană. Cristaloizii difuzează în curentul de apă curată, în timp ce coloidul este reţinut.
II. BIOFIZICĂ CELULARĂ
Membrane biologice
Membranele biologice se definesc ca fiind ansambluri compuse din proteine şi lipide
care formează structuri continue bidimensionale, cu proprietăţi caracteristice de permeabilitate
selectivă, prin care se realizează compartimentarea materiei vii.
ya
üiüi!
-----i: yt
Realizarea dializei
I. Structură şi proprietăţi:
Funcţiile pe care le îndeplineşte membrana sunt următoarele:
- delimitează celula (organitele celulare) de mediul exterior;
- prezintă permeabilitate specifică pentru ioni şi unele macromolecule;
- constituie locul unor reacţii enzimatice.
II. Compoziţia biochimică a membranelor biologice
Principalele componente ale membranelor biologice sunt:
- proteinele (60-80 %) conferă funcţionalitatea membranei. Ele intervin în
transportul activ, îndeplinesc funcţii enzimatice sau de receptori.
- lipidele (40-20 %) (resturile glucidice sunt întotdeauna ataşate proteinelor
sau lipidelor) asigură funcţia de barieră a membranelor.
- alte componente minore (ioni, apă, transportori) (insuficient studiate
cantitativ).
III. Caracteristicile fizice ale membranelor biologice
Fluiditatea membranelor^ mobilitatea lor.
Transportul prin membranele biologice
Transportul pasiv:
- Difuziunea simplă prin bistratul lipidic: un exemplu de difuziune simplă prin
bistratul lipidic este pătrunderea substanţelor liposolubile conform coeficientului de partiţie între
ulei şi apă(cu cât coeficientul de partiţie are valoare mai mare, cu atât substanţa este mai
liposolubilă şi pătrunde mai repede în celule)
- Difuziunea simplă mediată de polipeptide: un exemplu îl constituie
transportul ionilor prin polipeptide produse de microorganisme care sunt numite ionofori.
Ionoforii produşi de microorganisme sunt antibiotice (împiedică dezvoltarea altor
microorganisme). Ele sunt arme de apărare ale unor microorganisme împotriva altora
- Difuzia facilitată: se produce de la o concentraţie mai mare la una mai mică şi
se opreşte în momentul egalizării concentraţiilor de cele două părţi ale membranei, dar
substanţele trec mult mai rapid (de aproximativ 100.000 de ori), decât ar fi de aşteptat pentru
dimensiunea şi solubilitatea lor în lipide.
Transportul activ
Transportul activ se realizează cu consum de energie, de la o concentraţie mică spre o
concentraţie mare.
Ex : Pompa de Na+ şi K+ se află în plasmalema tuturor celulelor animale şi este
responsabilă
de:
- menţinerea potenţialului de membrană
- controlul volumului
- „întreţinerea” transportului activ al aminoacizilor şi glucidelor.
- reglează volumul celular
OBS.
Peste o treime din necesarul de energie al celulei este consumat de această pompă, iar în
celulele nervoase, care trebuie să-şi refacă potenţialul de membrană după depolarizarea ce se
produce la excitarea lor, se ajunge ca până la 70 % din consumul energetic să revină pompei.
top related