PARTEA A I-A BIOFIZICAINTRODUCEREObiectul Biofizicii Biofizica este tiina care s-a dezvoltat la grania dintre fizic i biologie n scopul cercetrii i explicrii nsuirilor fizice ale organismelor vii. Avnd ca obiect de studiu un domeniu interdisciplinar, biofizica este o disciplin relativ nou. In lumea vie gsim o legtur foarte strns ntre fenomenele fizice i chimice, pe de alt parte. Viaa ns nu poate fi redus la aspectele fizico-chimice ale materiei vii, dar fr cunoaterea acestor aspecte nu este posibil nelegerea vieii. Termenul de biofizic a aprut la sfritul secolului al XIX-lea odat cu denumirile de biologie fizico-chimic, biofizic chimic etc. Biofizica studiaz fenomenele fizice care stau la baza funcionrii sistemelor biologice. De aceea ea folosete tehnicile fizico-chimice precum i aparatul matematic pentru cercetarea fenomenelor fizice ale lumii vii. Biofizica , abordeaz urmtoarele probleme : 1) studiul fenomenelor fizice (mecanice, termice, electrice) prin care se realizeaz fenomenelor biologice precum i energetica proceselor vitale 2) cercetarea efectelor biologice ale factorilor fizici ambiani cu scopul de a-I utiliza pe cei favorabili ca factori terapeutici sau de a realiza prevenirea aciunii lor nocive asupra organismului 3) folosirea tehnicilor fizice n abordarea problemelor biologice. Biofizica utilizeaz, pentru explicarea fenomenelor biologice, multe capitole ale fizicii i biologiei. Legat de nivelul de organizare al sistemului biologic studiat, s-au dezvoltat diferite ramuri ale biofizicii cum ar fi : 1 biofizica molecular care studiaz proprietile moleculelor, ale materiei vii, 2 biofizica celular care se ocup cu proprietile mecanice, electrice ale celulelor , 3 biofizica sistemelor complexe , etc . Dup cum se observ, domeniul de cercetare al biofizicii este foarte vast, ncepnd cu nivelul atomic continund apoi cu moleculele, celulele i terminnd cu omul. Scurt istoric al dezvoltrii biofizicii Dei are un caracter interdisciplinar, i dup cum am artat , este relativ nou, primele cercetri n domeniul care astzi l cuprinde biofizica , au fost fcute de aproximativ dou secole n urm. Originile biofizicii le putem considera studiile de biomecanic ale lui Leonardo da Vinci, pictor genial dar, n acelai timp, inginer i anatomist care a studiat zborului psrilor i funcionarea muchilor. Un moment foarte important pentru dezvoltarea tiinelor n general l constituie inventarea microscopului de ctre Anthony Leeuvenhoeck, un modest funcionar la primria unui ora olandez dar pasionat constructor de lentile.

Cercetrile privind bioelectricitatea efectuate de Luigi Galvani asupra efectului electricitii statice a muchiului de broasc i Alexandru Volta pot fi considerate ns ca nceput al cercetrilor de biofizic .~n secolul al XIX-lea mari fiziologi ai lumii au efectuat cercetri de biofizica. Amintim cercetrile lui Hermann Helmholtz privind contracia muscular si transmiterea influxului nervos i care apoi a dezvoltat teoria lui Thomas Young asupra vederii colorate i asupra percepiei sunetelor muzicale. A conceput si dezvoltat instrumente de analiz a sunetelor i aparate pentru oftalmologie. Un aport deosebit l are medicul german Robert Mayer n aprofundarea principiului I al termodinamicii privind conversia energiei dintr-o form n alta. O contribuie nsemnat la dezvoltarea termodinamicii aduce i inginerul francez Nicolas Sadi-Carnot care pune bazele construciei primului motor termic. Incepnd din ultimele dou decenii ale secolului al XIX-lea, dezvoltarea biofizicii ia o mare amploare ca apoi la nceputul secolului al XX-lea s se contureze tiinele cu caracter interdisciplinar aa cum este biobizica.Descoperirea radiaiei X n 1895 de ctre Wilhelm Konrad Rntgen , a deschis calea celor mai spectaculoase aplicaii n biologie i medicin , dintre care cea mai important este radiologia. Secolul de abia ncheiat este marcat de descoperirile lui Albert Einstein prin introducerea Teoriei Relativitii, explicarea fenomenului fotoelectric, etc.; de fapt aproape nu este domeniu n care acest fizician s nu-i fi adus aportul. Ideile sale inovatoare au deschis o nou er n cercetarea structurii microscopice a corpurilor. Erwin Schrdinger pune bazele mecanicii cuantice care vor contribui la dezvoltarea chimiei cuantice i la o nou abordare a cunotinelor privind structura materiei. Descoperirea radioactivitii naturale ctre soii Pierre i Marie Curie i apoi a celei artificiale, ct i obinerea ulterioar a izotopilor radioactivi care se folosesc n cele mai variate domenii, fac uneori ca biofizica s se confunde cu radiobiologia (care este tiina legat de aplicaiile acestor izotopi radioactivi). Cea de a doua jumtate a secolului al XX-lea cuprinde remarcabile rezultate n toate domeniile tiinifice deci i n biofizic. Rezultatele cercetrilor de biofizica sunt numeroase2

i dovada acestui fapt o reprezint numrul mare de premii Nobel acordate n cercetri cu caracter incontestabil de biofizica. Domeniile de cercetare Cele mai importante domenii de cercetare sunt: 1 radiobiologia este domeniul n care rezultatele tiinifice adunate sunt impresionante i n acelai timp domeniul este i productiv. In prezent explorrile funcionale folosesc frecvent terapia cu radioizotopi, iar pe de alt parte utilizarea acestora n mutaii genetice poate permite obinerea unor mutani cu eficien economic mare. 2 fenomenele electrice care nsoesc activitatea celulelor i a organelor excitabile ce permit aprofundarea cunotinelor despre funciile acestora. Aceasta a iniiat i dezvoltat metode de investigaii cum sunt electrocardiografia, electroencefalografia, etc, fr de care n prezent n medicin nu se face nici o intervenie chirurgical, de exemplu. 3 studiul fenomenelor de membran din sistemele biologice a cptat n ultimii ani o amploare deosebit, astfel c acestea i-au gsit explicaii n cele mai diverse domenii, pornind de la electrozii selectivi (membrane permeabile pentru anumii ioni ), continund cu rinichiul artificial (hemodializorul) i pn la instalaii de desalinizare a apei de mare sau de ultrafiltrare a rezidurilor industriale. 4 genetica molecular care are n prezent o dezvoltarea spectaculoas, 5 biopolimeri 6 biocibernetic etc. Aceste cercetri ns necesit att metodologie performant ct i un aparat matematic foarte complex. Amintim aici c premiul Nobel n 1991 pentru medicin a fost acordat biofizicienilor germani Neher i Sakmann pentru3

tehnica patch clamp ce permite nregistrarea activitii unui singur canal ionic din membrana celular (msurtori ale curenilor ionici care sunt de ordinul picoamperilor !). De asemenea subliniem c singurul romn laureat al premiului Nobel, George Palade, este un cercettor ce are ca obiect de studiu fenomene ce in de asemenea de biofizic. Biofizica, tiina viului Dei multe din procesele moleculare ale sistemelor vii sunt recunoscute , exist nc multe necunoscute, datorit diferenei dintre lumea vie i celelalte fenomene. In ciuda progreselor stiintifice, fenomenul desemnat de formula lumea vie este greu de definit i nc i mai greu de studiat. Explicarea fenomenelor fizice care stau la baza structurilor biologice s-a datorat faptului c anumite conceptele fizice au ptruns tot mai mult n studiul biologic In acelai timp ns, cercetrile biologice au pus la punct metode de cercetare care au avut mare succes n cercetrile de fizic. Intruct este greu de dat o definiie a vieii sau a sistemelor vii precum i a domeniului de studiu al biofizicii vom da n ncheiere aprecierea profesorului. K.S. Cole, privind biofizica. Biophysics includes everythings that is interesting and excludes everythings that is not., adic Biofizica include tot ce este interesant i exclude tot ce nu este aa. Acesta este motivul pentru care, n cele ce urmeaz, nu vom rspunde la ntrebri de felul Ce este viaa ? sau Care sunt proprietile viului? , ci vom ncerca s aflm i s explicm, atat ct este posibil, fenomenele care dau esena vieii.

I.1. Fenomene moleculare in lichide biologice Fluidele (gazele i lichidele) reprezint un mediu continuu, care i modific forma foarte mult sub aciunea unei fore mici Ele au coeziune molecular mic datorit cruia curg i iau forma4

vasului. Dintre fluide, cel mai important este apa, care acoper 70% din suprafaa planetei. Apa a fost considerat de ctre Albert Szent Gyrgyi matricea vieii datorit faptului c(se pare) viaa a aprut n ap, iar pe de alt parte, apa este indispensabil vieii. Rolul apei n organismele vii poate fi concretizat n urmtorele aspecte: 1 Astfel apa este solventul universal att n mediul interstiial n care se afl celulele ct i n mediul intracelular n care au loc toate reaciile chimice. 2 Apa este mediul de transport al ionilor, macromoleculelor I al celulelor de la un organ la altul 3 Apa este agentul de eliminare a produilor de dezasimilaie n afara organismului(prin urin i transpiraie). 4 In cazul plantelor, apa, alturi de dioxidul de carbon, st la baza procesului de fotosintez. 5 Avnd conductibilitate termic i cldur specific mare, apa constituie un factor de ameliorare a variaiilor de terperatur a organismelor iar la homeoterme evaporarea apei constituie principala form sub care se degaj cldura rezultat din catabolism. 6 In afara acestor funcii, apa este un protector mecanic a unor sisteme(sistemul nervos central), este mediul de suspensie al unor celule libere (elementele figurate ale sngelui) Vom prezenta n continuare cteva fenomene specifice fluidelor, fenomene ce explic funcionarea organismului uman i animal. I.1.1. Fenomene de suprafa. Tensiunea superficiala Existena tensiunii supereficiale explic multe fenomene din lumea vie. Dou picturi mai mici, cnd se ating tind s se contopeasc. Pictura mai mare va avea o suprafa total mai mic, deci o energie superficial mai mic. Forma sferic a5

celulelor libere este, de asemenea, condiionat de tensiunea superficial. Deci fenomenele superficiale arat evoluia unui sistem spre starea de echilibru care este starea caracterizat printrun minim energetic. S considerm un lichid aflat ntr-un vas. O molecul aflat n interiorul lichidului este atras de celelalte molecule aflate n vecittate cu fore egale ca mrime astfel nct rezultanta acestor fore este nul (Fig.I.12).

Fig.I.1 Tensiunea superficial Dac ns se consider o molecul din stratul superficial (stratul de grosime egal cu raza de aciune molecular), atunci forele de atracie care se manifest din partea gazului sunt mai mici dect cele din partea lichidului i rezultanta acestora va fi nenul. Corespunztor acestei fore rezultante, apare o presiune care este exercitat de stratul superficial asupra lichidului, denumit presiune suplimentar. Ca urmare lichidul tinde s reduc dimensiunile stratului superficial, se comport ca o membran elastic. Forele care apar tangent la conturul suprafaei libere a lichidului tinznd s-i micoreze aceast suprafa sunt forele de tensiune superficial. Deci fora de tensiune superficial poate fi scris sub forma: F = l (I.1) Coeficientul de proporionalitate se numete coeficient de tensiune superficial i n SI se msoar n N/m.6

Coeficientul de tensiune superficial poate fi definit i n funcie de energia consumat pentru a menine neschimbat suprafaa liber a lichidului. Lucrul mecanic consumat n acest scop va fi, dup definiie: d L = Fdl (I.2) Inlocuind (I.1) n (I.2) se obine: d L = ldl = dS (I.3) Coeficientul de tensiune superficial reprezint energia consumat pentru a mri cu o unitate suprafaa liber a lichidului. In SI se msoar n J/m 2. Datorit tensiunii superficiale care tinde s micoreze suprafaa liber a lichidului, acesta se comport ca o membran elastic. Deoarece forma sferic este forma care, pentru un volum dat, are suprafaa minim, din acest motiv picturile de lichid sunt sferice. Forma celulelor libere i a unor fiine unicelulare este determinat de asemenea de tensiunea superficila, acestea cptnd forme ce corespund unor suprafee minimale. Coeficientul de tensiune superficial este influenat de o serie de factori: temperatur, concentraie de sruri etc. Solviii modific tensiunea superficial a solventului. In cazul apei, solviii minerali(acizi, baze, sruri minerale) mresc uor tensiunea superficial. Solviii organici, ns, reduc tensiunea superficial. Foarte importante sunt substanele tensioactive care au proprietatea de a micora tensiunea superficial: alcooli, acizi organici, detergeni. Moleculele acestor substane au proprietatea de a micora forele de coeziune dintre moleculele solventului. Lichidele din organismele vii au, n majoritatea cazurilor, coeficieni de tensiune superficial mai mici dect ai apei. Tensiunea superficial mare a apei, proprietile asemntoare unei membrane elastice favorizeaz meninerea i deplasarea unor insecte marine pe suprafaa apei (Hidrometa). Ele7

prezint la extremitile membrelor ramificaii fine unse cu grsimi care face ca ele s nu se ude. Larvele narului anofel se prind de suprafaa apei. Stropind apa cu petrol se poate lupta mpotriva malariei pentru c petrolul scade tensiunea superficial a apei iar larvele cad la adncime i mor. Observaie. Mai multe detalii despre tensiunea superficial vor fi studiate la lucrrile practice de laborator. I.1.2. Fenomene de contact.Capilaritatea. La contactul dintre solid i lichid apare o for de interaciune, ca rezultant a forelor ce se exercit ntre moleculele de lichid i de solid. a) Dac fora de coeziune dintre moleculele lichidului este mai mare dect fora de adeziune (ce se manifest ntre moleculele de solid i cele de lichid) se spune c lichidul nu ud vasul n care se afl. Astfel de lichide formeaz meniscuri convexe (Fig. I.13).

Fig.I.2 Fenomene de contact b) Dac fora de adeziune este mai mare dect cea de coeziune, lichidul ud vasul n care se afl i formeaz un menisc concav. In raport cu lichidele, o suprafa solid poate fi: liofil dac este udat de un lichid8

indiferent liofob, dac nu este udat de lichid. Un solid poate fi liofil pentru un lichid i liofob pentru alt lichid. De exemplu sticla este liofil pentru ap (hidrofil) dar liofob pentru mercur (mercurofob). Aceste fenomene de contact explic fenomenul de capilaritate care este fenomenul de urcare a lichidelor n capilarele liofile i coborare n cele liofobe, abtndu-se de la principiul vaselor comunicante (Fig.I.3)

Fig.I.3 Capilaritatea Tuburile capilare sunt tuburi care au diametrele foarte mici (de ordinul milimetrilor sau mai mici). Inlimea la care urc sau coboar lichidul este dat de legea lui Jurin: 2 cos h= rg (I.4) unde este densitatea lichidului, r este raza tubului, g este acceleraia gravitaional, coeficientul de tensiune superficial iar este unghiul de racord (Fig.I.4)

9

Fig.I.4 Ilustrarea legii lui Jurin O coloan de lichid, aflat ntr-un tub capilar dar care este fragmentat prin bule de gaz, opune o mare rezisten la naintare deoarece trebuie nvins, n afar de fora de adeziune i fora de tensiune superficial ce apare la nivelul fiecrui menisc realizat de bulele gazoase. Capilaritatea joac un rol fundamental i pentru viaa plantelor n special din dou motive: - capilaritatea asigur circulaia sevei brute la plante, - capilaritatea solului, ca factor pentru meninerea apei folosit apoi de plante. Un sol cu capilare i pierde apa foarte repede. De aceea trebuie aplicate msuri agrotehnice prin care capilarele formate n sol sunt distruse (prit). I.1.3.Fenomene de transport. Vscozitatea Pentru a descrie micarea fluidelor reale trebuie s se in cont de interaciunile dintre diferitele elemente de fluid sau dintre fluid i pereii tuburilor prin care curge acesta. Aceste interaciuni se manifest prin apariia unor fore de frecare intern dintre straturile de fluid sau ntre fluid i pereii vecini. Fluidele la care se manifest astfel de fore de frecare se numesc fluide vscoase iar fenomenul se numete vscozitate. S considerm un fluid vscos plasat ntre dou suprafee plane A i B dispuse paralel, suprafaa A fiind fix iar suprafaa B se afl ntr-o micare de translaie cu viteza v. (Fig. I.5)10

Fig.I.5 Micarea particulelor de lichid vscos Diferitele straturi de fluid dintre cele dou suprafee se pun n micare datorit forelor de frecare, cu viteze cuprinse ntre 0 i v. Deci ntre diferitele straturi apare o variaie de vitez (gradient de vitez), n direcie perpendicular pe direcia de micare. Dac se noteaz cu S aria comun a celor dou suprafee, fora de frecare intern (fora de vscozitate) este: dv F = S dx (I.5) semnul - artnd c fora de frecare este de sens opus micrii fluidului Expresia (I.5) reprezint forma analitic a legii lui Newton Factorul de proporionalitate este coeficientul de vscozitate dinamic. Unitatea de msur n sistemul internaional este decapoisul (daP) = 1 Kg/m.s Lichidele care respect legea lui Newton se numesc lichide newtoniene iar cele care nu respect aceast lege, lichide nenewtoniene. In practic se folosete i vscozitatea cinematic, dat de relaia:11

=

(I.6) fiind densitatea fluidului. Unitatea de msur n S.I pentru vscozitatea cinematic este decakilostokesul (dakSt) definit prin relaia: m2 = 1dakSt = s Se definete i vscozitatea relativ r = s (I.7) s fiind vscozitatea dinamic a unui fluid de referin. Mrimea 1 = (I.8) se numete fluiditate. Facem observaia c vscozitatea dinamic este funcie de temperatur. De exemplu pentru ap aceasta scade dup o lege de forma:

= Ae Pentru toate fluidele, coeficientul de vscozitate dinamic depinde i de natura fluidului respectiv.

b T

I.1.3.1. Curgerea lichidelor prin tuburi subiri. Legea HagenPoiseuille Legea Hagen- Poiseuille se refer la curgerea laminar a unui fluid vscos printr-un tub cilindric, fluidul fiind12

incompresibil ( = constant) i curgerea staionar (viteza diferitelor straturi de fluid nu depinde de timp ci numai de distana fa de axa tubului (Fig.I.6).

Fig. I.6 Tub de fluid Pentru a calcula debitul volumic de fluid prin conduct, se consider un strat de fluid cuprins ntre r i r + dr . Debitul volumic elementar din acest strat este, dup definiie: dV ldS dQ = = = vdS dt dt (I.9) Dup un calcul mai lung, pentru debitul volumic se obine expresia: p1 p 2 4 Q= R 8 l (I.10) unde: p1 p 2 este diferena de presiune ce produce curgerea -l este lungimea tubului -R este raza tubului cilindric - coeficientul de vscozitate dinamic a lichidului. Expresia (I.10) este legea Hagen-Poiseuille.

13

Legea Hagen-Poiseuille afirm c debitul de fluid real ce curge printr-o conduct cilindric este proporional cu puterea a p p2 patra a razei acesteia i cu gradientul de presiune 1 . l Ea are aplicaii foarte importante in practica la msurarea vscozitii

I.1.3.2. Micarea corpurilor n lichide vscoase Un alt aspect important legat de fluidele vscoase o constituie determinarea forei de frecare ce se exercit asupra unui corp aflat n micare relativ fa de fluid. Cazul cel mai simplu este cazul unui corp sferic aflat ntr-un fluid care are o curgere laminar n regiunile ndeprtate de sfer. Msurtorile experimentale i studiile teoretice au condus la urmtoarea expresie a forei de vscozitate: F = 6rv (I.11) Formula (I.19) este cunoscut sub denumirea de legea lui Stokes. Ea arat faptul c la deplasarea unei sfere printr-un fluid vscos, fora de frecare ce se exercit asupra sferei este proporional cu coeficientul de vscozitate dinamic, cu raza sferei i cu viteza cu care sfera se deplaseaz prin fluid. Pe baza legii lui Stokes se poate determina vscozitatea dinamic a unui lichid vscos(uleiurile pentru masini). I.2.1. Difuzia Organismele vii sunt sisteme deschise care realizeaz n mod continuu schimb de substan i energie cu mediul exterior. Difuzia este fenomenul de ptrundere a moleculelor unei substane printre moleculele altei substane sau a moleculelor proprii cnd distribuia moleculelor n spaiu este neomogen.14

Difuzia este un fenomen de transport, (ca i vscozitatea) fenomen n care se realizeaz un transport de substan din zonele cu concentraie mai ridicat, spre zonele de concentraie mai mic, astfel nct neuniformitatea s se reduc. Fenomenul de difuzie este cel mai intens la gaze, unde viteza termic este foarte mare i cel mai lent la solide deoarece aici moleculele sau ionii au poziii relativ fixe n spaiu. S considerm c delimitm un volum de lichid ca n Fig. I.24 n care concentraia fluidului variaz dup direcia Ox.

Fig.I.24 Difuzia Viteza de difuzie este proporional cu gradientul de concentraie i suprafaa de difuzie dc j = D dx (I.27) In (I.27) j este densitatea curentului de difuzie i este egal cu numrul de particule ce traverseaz unitatea de suprafa n unitatea de timp, adic: N j= St (I.28) (N fiind numrul de particule, S suprafaa i t timpul), c este concentraia substanei,15

N V (I.29) (V este volumul delimitat n fig. I.18), iar D este coeficientul de difuzie. Expresia dat n (I.27) poart numele de legea I-a a lui Fick. Semnul minus din legea lui Fick apare deoarece fluxul de substan se realizeaz de la concentraie mai mare spre concentraie mai mic. Transportul de substan prin difuzie conduce la modificarea concentraiei n fiecare punct al spaiului astfel c n final, pentru t , se ajunge la o egalizare a concentraiei substanei. c= Legea a II-a alui Fick afirm c, n orice punct al unui lichid, variaia n timp a concentraiei este proporional cu variaia spaial a gradientului de concentraie. Soluiile acestei ecuaii sunt tabelate. In Fig.I.25 se prezint variaia concentraiei iar n Fig. I.26, gradientul de concentraie.

16

Fig.I.25 Fig. I.26 In cazul n care se consider c difuzia are loc n planul xOy soluia ecuaiei I.33 este reprezentata n Fig.I.27 i este cunoscut sub numele de clopotul lui Gauss.

17

Fig.I.27 Curba (clopotul) lui Gauss Coeficientul de difuzie se definete dup relaia (I.27), ca fiind cantitatea de substan ce strbate unitatea de suprafa, n unitatea de timp, dac gradientul de concentraie este egal cu unitatea. Experiena arat c D variaz direct proporional cu temperatura, depinznd n acelai timp i de forma particulelor. Pentru particule coloidale de form sferic coeficientul de difuzie este dat de formula lui Einstein: kT D= 6r (I.34) In (I.34) k este constanta lui Boltzmann, T este temperatura absolut, r este raza sferei iar este coeficientul de vscozitate18

dinamic a lichidului. Deci viteza de difuzie este proporional cu temperatura absolut dar este invers proporional cu vscozitatea ceea ce explic de ce difuzia ntr-un gel este mult mai nceat dect ntr-un fluid. In sistemele biologice ns, nu se realizeaz difuzia liber, ci difuzia prin membrane. Fenomenul de difuzie are un rol esenial pentru organismele vii. Fenomenul de difuzie intervine ntre organism i mediu sau ntre celule i mediul su, precum i ntre diferite compartimente celulare. Organele specializate pentru schimbul prin difuzie sunt: branhiile i plmnii la animale i frunzele la vegetale. La animalele inferioare chiar toat suprafaa tegumentului este adaptat la schimbul prin difuzie. In aceste situaii nu este vorba de difuzie liber, ci prin membrane. I.2.2. Osmoza Membranele nu sunt la fel de permeabile pentru toate substanele, ci sunt selectiv permeabile. O membran permeabil pentru solvent dar impermeabil pentru solvit se numete semipermeabil. Membranele biologice sunt permeabile nu numai pentru solvent ci i pentru substane cu molecul mic. Fenomenul de osmoz este fenomenul de difuzie printr-o membran semipermeabil. Fie dou soluii de concentraii diferite desprite printr-o membran semipermeabil, ca n Fig.I.25.

19

Fig.I.25 Osmometru Dac n vasul A se pune o soluie concentrat iar n vasul B o soluie mai puin concentrat, atunci moleculele solventului din vasul B vor trece prin membrana semipermeabil, n vasul A. Osmoza continu pn ce nivelul lichidului din vasul A produce la manometru denivelarea h cnd se realizeaz echilibrul. Acest echilibru se realizeaz cnd presiunea hidrostatic a coloanei de lichid cu nlimea h egaleaz presiunea exercitat de fluxul osmotic, care este presiunea osmotic.

I.2.3. Presiunea osmotic Explicarea presiunii osmotice se poate face pornind de la teoria cinetico-molecular a gazelor, considernd c moleculele solventului ciocnesc membrana semipermeabil. Dac se lucreaz cu soluii putin concentrate (deci moleculele sunt rare i pot fi asimilate cu moleculele unui gaz ideal) se poate aplica legea gazului ideal i acestui fenomen molecular, adic: m pV = RT M (I.35) p fiind presiunea gazului, V volumul ocupat de gaz, m- masa gazului, M masa molecular, R constanta gazului ideal iar T temperatura absolut a gazului. Presiunea osmotic, notat cu , dup (I.35), are expresia: = C M RT (I.36) In (I.36) C M este concentraia masic. Legile presiunii osmotice au fost stabilite de Vant Hoff i ele deriv din explicitarea expresiei (I.36). 1) La temperatur constant, presiunea osmotic este proporional cu concentraia masic sau molar a soluiei.20

2) Presiunea osmotic a unei anumite soluii de concentraie constant (CM=const., pentru M dat) crete cu temperatura absolut a soluiei. 3) Pentru temperatur constant i concentraie constant (C M=const., T= const), presiunea osmotic este invers proporional cu masa molar a substanei. Legile lui Vant Hoff permit determinarea masei moleculare a unor substane prin msurtori ale presiunii osmotice. Din legea gazului ideal pentru masa molecular se obine expresia: CRT M = (I.37) In anul 1925 Adair a determinat masa molecular a hemoglobinei de cal. El a msurat presiunea osmotic a unei soluii de hemoglobin ce coninea 80 grame de hemoglobin la un litru de soluie, la temperatura de 40C i a gsit o valoare de 0,026 atmosfere. Introducnd aceste valori n expresia (I.37) se gsete: M= 70.000 Kg/Kmol. Soluiile macromoleculare nu respect legea Vant Hoff. In acest caz presiunea osmotic este dat de expresia: C 2 = RT + BC M (I.38) In (I.38) B este o constant ce depinde de intensitatea forelor de interaciune dintre moleculele solventului i solvitului. Relaia (I.38) se poate scrie i sub forma: RT = + BC C M (I.39) Dac se reprezint grafic mrimea /C se obine o dreapt a crei intersecie are valoarea RT/M. Aceast valoare permite aflarea masei moleculare a macromoleculei. Dac moleculele sunt disociate, presiunea osmotic devine: = iCRT (I.40)21

Aici i = + 1 unde este un indice de disociere i este egal cu raportul dintre numrul de molecule disociate i cel al moleculelor dizolvate. Soluia ce conine un numr de particule osmotic active egal cu numrul lui Avogadro, NA se numete soluie osmomolar. Presiunea osmotic exercitat de o soluie osmomolar este la temperatura de 273K de 22,4 atmosfere =22,6.105N/m2. Aceast valoare se obine dup (I.37) astfel: 1mol J 0 = 3 3 .8,31 273K = 22,6.10 5 N / m 2 mol.K 10 m Dou soluii ideale, diferite, de molaritate egal, care au aceeai presiune osmotic, se numesc izosmotice. I.2.4. Echilibrul osmotic pentru organismele vii Pentru organismele vii, pentru care membrana celular este selectiv permeabil, soluia din sucul celular va prezenta numai acea parte a presiunii osmotice datorat moleculelor pentru care membrana nu este permeabil. Aceast proprietate a celulelor vii se numete tonicitate. In general, tonicitatea este mai mic dect presiunea osmotic, dar poate ajunge totui la 8 12 atmosfere la unele bacterii. Celula poate rezista la astfel de presiuni deoarece ea este adaptat. Astfel plantele i microorganisme, pe lng membrana plasmatic, mai prezint o membran rigid. In cazul majoritii animalelor ns, celulele nu posed un perete rigid i de aceea acestea i-au dezvoltat mecanisme de reglare a tonicitii prin eliminarea excesului apei i a unor substane Dac soluia de conservare a celulelor este hipotonic, apa ptrunde prin membran producnd umflarea cu ap (turgescena) frunzelor. Tonicitatea nalt a citoplasmei celulei vegetale este implicat, alturi de capilaritate, la ascensiunea sevei brute. Dac procesul continu, ns, se poate produce citoliza. Atunci cnd sngele este introdus ntr-o soluie mai diluat, apa ptrunde n22

eritrocit i se produce turgescena. Dac membrana eritrocitar nu este suficient de rezistent, aceasta se poate distruge i iese hemoglobina. Dac soluia este hipertonic, apa intracelular tinde s prseasc celula, ceeace duce la fenomenul de plasmoliz. In cazul hematiilor, acest fenomen se numete ratatinare. Meninerea n corpul organismelor vii a unor soluii de diferite concentraii i a presiunii osmotice este absolut necesar; cnd echilibrul osmotic se stric, se produc dezechilibre i chiar moartea. Astfel, petii de mare, introdui n ap dulce sufer un dezechilibru osmotic (uneori letal) la nivelul epiteliului brahial. Dac se scoate snge unui animal i se introduce ap distilat, se produc de asemenea tulburri grave. O soluie izoton pentru organismul uman este serul fiziologic, avnd concentraia molar 0,154 M, ceeace corespunde la o concentraie de 9 0 /00 NaCl.

I.2.5. Electroosmoza Electroosmoza reprezint deplasarea apei printr-o membran ce conine sarcini electrice, n absena unei diferene de presiune osmotic, atunci cnd este aplicat o diferen de potenial electric. Fenomenul a fost detectat n celulele unor alge.

I.2.6. Efectul vacuolelor contractile In unele organisme primitive (protozoare, alge) exist vacuole contractile ce pompeaz intermitent, n afara citoplasmei, fluid mai puin concentrat dect citoplasma.

23

I.2.7. Osmoza invers. Dac asupra unei soluii mai concentrate se exercit din exterior presiuni mari, atunci moleculele de solvent traverseaz membrana, n mod forat, de la soluia mai concentrat, la soluia mai puin concentrat. Fenomenul se numete osmoz invers. Osmoza invers are aplicaii n cazul desalinizrii apei; Aceast metod este folosit de pescrui pentru a-i procura apa potabil din apa de mare foarte srat.

II. MEMBRANE BIOLOGICEII.1.1. Celula Lewis Thomas spune c Pmntul este o celul vie, de culoare albastr. Pmntul i-a constituit propria sa membran, cea mai mare membran din lume, atmosfera, care s protejeze viaa pe Pmnt. Membrana de ozon apr vieuitoarele de radiaiile ultraviolete i face astfel posibil viaa pe Pmnt. Prin celula ns nelegem, de obicei, cea mai mic formaiune unitar n care mai poate exista viaa. Membrana celular reprezint primul organit difereniat. Existena membranei a fost semalat nc din secolul al XIX-lea. Denumirea de membran vine de la latinescul membrana care nseamn nveli, coaj. Membrana, creia i s-a acordat doar un rol pasiv, de izolare fa de mediul exterior, are o structur complex i ndeplinete numeroase funcii legate de procesele metabolice fundamentale. Membranele vii au caracter de selectivitate, sunt semipermeabile II.1.2. Structura membranei In prezent este unanim acceptat c membranele celulare sunt alctuite dintr-un strat dublu fosfolipidic n care sunt mplntate proteinele. Moleculele fosfolipidice sunt dispuse ntr24

un strat dublu, prile lor hidrofobe venind n contact iar cele polare rmn libere epre exteriorul, respectiv interiorul celulei. Poziia proteinelor este arbitrar, ele se afl din loc n loc, unele traversnd complet membrana, iar altele nu. Membrana hematiilor este una din din cele mai studiate membrane i structura acesteia este dat n Fig.II.2. Schematic structura membranei este urmtoarea: Dublul strat fosfolipidic Proteinele care sunt: Integrale, care trec prin stratul bilipidic Periferice Proteinele integrale, la rndul lor sunt: care traverseaz bistratul cu un singur segment (glicoforina) care formeaz canale i servesc drept transportori (banda 3 care este un canal pentru anioni) Proteinele periferice, la rndul lor sunt: localizate pe suprafaa extern sau intern a bistratului, multe fiind enzime (de exemplu acetilcolina) care interacioneaz cu partea citoplasmatic, este constituit dintr-o reea de proteine i formeaz scheletul membranar (citoscheletul) format din: Spectrin Actin Banda 4.1 Banda 4.9 Aducina

25

Fig.II.2 Structura membranei eritrocitului Acest model de membran a fost publicat n anul 1972 n revista Science de ctre S.J. Singer i G.L.Nicolson i denumit modelul mozaicului fluid al structurii membranei celulare. Modelul const dintr-o mare ce constituie stratul dublu lipidic, pe care plutesc proteinele asemeni unor aisberguri. Dublul strat fosfolipidic formeaz o matrice de circa 60-80 A0 grosime. Membranele biologice iau natere prin autoasamblare pe baza interaciunii hidrofobe. Lipidele formeaz spontan n soluii apoase straturi bimoleculare pe care proteinele se adsorb tinznd s-i ascund propriile lor poriuni hidrofobe. Faptul c aceast dispunere a lipidelor se realizeaz de la sine n virtutea tendinei oricrui sistem de a atinge stri ct mai stabile (minim de energie) a sugerat posibilitatea realizrii de membrane artificiale cu ajutorul crora s se studieze funciile membranei. Ca urmare structura i funcionarea membranei a putut fi studiat pe baza membranelor artificiale, a membranelor model. Lipidele formeaz matricea membranei iar proteinele asigur toate funciile membranei. Proteinele confer membranelor permeabilitatea selectiv, asigur diferenierea celulelor, asigur comunicarea intercelular i contribuie la determinarea formei celulelor. Unele sunt26

receptori pentru captarea informaiei din mediu, altele sunt enzime cu o localizare precis. Membrana, din punct de vedere biofizic, este un fluid n care au loc micri laterale la care particip proteinele i lipidele, de rotaie n jurul axei proprii i mai rar micarea n direcie perpendicular. Membrana este un fluid structurat care i pstreaz forma general, dar ai crui componeni sunt n continu micare. Membranele permit, graie fluiditii, modificri de form ale celulelor, creterea celulelor, refacerea celulelor lezate. Fluiditatea membranei se modific n cazuri patologice ca infecia viral, aciunea unor factori externi, tumorile maligne. Explicarea modificrii fluiditii se face prin procesul de obstrucionare n funcionarea normal a proteinelor integrale. Biomembranele reprezint circa 10-20% din masa celular dar proporia de lipide i proteine este diferit. II.1.3. Funciile membranei Membranele reprezint o structur comun celulelor, ele apar att la celule pentru a le separa de exterior, ct i n formaiunile din interiorul celulei. In interiorul membranei au loc foarte multe procese biofizice i biochimice. Membranele nu au numai un rol static, n delimitarea celulelor i a organitelor celulare, ci au un rol dinamic n diverse procese fizice. Membrana care nconjoar celula, plasmalema, (care nchide citoplasma) formeaz o barier selectiv ce menine integritatea celulei datorit fenomenelor de transport, active i pasive, care au loc prin ea. Funciile membranei se mpart n trei mari categorii: a) rol de frontier fizic; ea pstreaz i menine o compoziie chimic diferit n interior fa de exterior, datorit difuziei selective.27

b) reprezint locul unde au loc reacii chimice, locul unor funcii de baz, din care o mare parte a reaciilor de conversie a energiei. c) proteinele constituie receptori n cadrul comunicrii intercelulare Dei ntre lichidul intracelular i extracelular exist numeroase asemnri, totui exist o deosebire esenial i anume existena unei concentraii ionice diferite. Dintre ionii ce se gsesc n mediul intra i extracelular, cei mai importani sunt ionii anorganici de Na, K, Cl i Ca iar dintre cei organici, proteinele i polipeptidele. Pentru ionii organici membrana celular este impermeabil i ei rmn n general n interiorul celulei n care au luat natere. Ionii de Na, K, Cl pot trece prin membran n ambele sensuri, dar concentraia lor nu este aceeai de ambele pri ale membranei. Astfel concentraia ionului de Na este de 10 ori mai mare n lichidul interstiial dect n cel intracelular, la Cl concentraia ionului este de 14 ori mai mare n lichidul interstiial dect n cel intracelular, n timp ce pentru K concentraia este mai mare n lichidul intracelular de 30 de ori dect n lichidul interstiial. Datorit diferenei de concentraie, ionii difuzeaz prin membran tinznd spre o egalizare a concentraiilor. Ionii de Na i Cl tind s difuzeze n interiorul celulei, iar ionii de K i cei organici, spre exteriorul acesteia. Viteza de difuzie depinde att de concentraia ionilor ct i de permeabilitatea membranei pentru acesti ioni. In stare de repaos membrana este impermeabil pentru anionii organici, are permeabilitate mic pentru ionii de Na i prezint permeabilitate mare pentru ionii de K i Cl. Permeabilitatea mic a membranei pentru ionii de Na se explic prin faptul c acetia sunt puternic hidratai i au diametrul mai mare dect ionii de K.

28

II.2. TRANSPORTUL PRIN MEMBRANELE BIOLOGICE II.2.1. Clasificarea proceselor de transport Proceselor de transport prin membran se clasific dup diferite criterii. 1. Dup mrimea particulelor ce strbat membrana, transportul poate fi: macrotransfer pentru macromolecule i particule microtransfer - pentru ioni i molecule mici Ionii i moleculele mici trec mai ales prin proteinele intrinseci pe cnd macromoleculele trec efectiv odat cu poriuni din membran, pentruc sunt transportate n vezicule. 2. Din punct de vedere al mecanismului de transport, acesta poate fi: transport pasiv care se face n sensul gradientului de concentraie, pentru moleculele nencrcate i n sensul gradientului electrochimic pentru cele ncrcate transport activ care se face mpotriva gradientului de concentraie cu aport energetic din exterior (cu consum de ATP). Transportul activ poate fi - transport activ primar - transport activ secundar - translocaie de grup Microtransferul pasiv se poate face pe urmtoarele ci: difuzie simpl - prin dublu strat lipidic difuzie facilitat canale ionice Macrotransferul se realizeaz prin: transport direct al macromoleculelor transport prin vezicule Transportul prin vezicule, la rndul lui poate fi:29

endocitoz, transportul are loc spre interiorul celulei care este : a)fagocitoz b)pinocitoz-dependent de receptori -independent de receptori exocitoz (transportul se realizeaz din citoplasm spre exterior) transcitoz (veziculele strbat toat celula, dintr-o parte n alta) Datorit faptului c se admite c transportul se realizeaz n cea mai mare parte prin proteine de transport, transportul se mai poate clasifica i dup numrul speciilor de substane ce pot fi transportate. 3.Dup numrul speciilor de substane ce pot fi transportate: uniport-cnd este transportat prin membran o singur substan cotransport-dac transportul unei substane este cuplat cu al altei substane Cotransportul poate fi de dou feluri: -simport-dac trecerea ambelor substane se realizeaz n acelai sens -antiport- dac trecerea ambelor substane se realizeaz n sensuri opuse II.2.2 Macrotransportul Fagocitoza se realizeaz prin ntinderea membranei care nconjoar particula i o introduce n interior. Pinocitoza independent de receptori se realizaz prin ptrunderea fluidului din vecintatea celulei, membrana formnd canale Pinocitoza mediat se realizeaz astefel: o molecul mare sau o particul se leag de un receptor specific, formeaz un complex care este absorbit de citoplasm30

Exocitoza se realizeaz prin fuziunea unor vezicule din citoplasm cu membrana i coninutul din vezicule este eliminat n exterior. Transcitoza realizeaz transportul macromoleculelor prin celulele endoteliului capilar. G.E. Palade a observat la microscopul electronic n citoplasma celulelor endoteliale vezicule ce traverseaz celulele, sugernd rolul veziculelor n transportul macromoleculelor din plasm n afara patului vascular. II.2.3. Transportul pasiv II.2.3.1.Difuzia simpl In cazul membranelor biologice difuzia simpl se realizeaz pe dou ci: prin dublul strat lipidic i prin proteinele intrinseci. Difuzia simpl prin stratul bilipidic a fost pus n eviden de Overton care a artat c viteza de ptrundere a substanelor n celul este proporional cu solubilitatea acestora n lipide. Difuziunea simpl este guvernat de legea lui Fick (care a fost studiat n capitolul Fenomene moleculare n lichide). Cantitatea de substan transportat variaz liniar cu diferena de concentraie. La nceputul anilor 1900, Albert Einstein a artat c exist o relaie simpl ntre coeficientul de difuzie D, al unei substane i timpul t necesar pentru difuzia la o distan medie d, ntr-un mediu fluid: d 2 = 2 Dt Pentru a difuza prin celula intestinului, care este de circa 10m, glucoza are nevoie de 0,08 secunde. Pentru celulele protozoarelor, care au lungime foarte mari, timpii de difuzie devin mari astfel nct, datorit constrngerilor difuziei, se ajunge la o limitare a mrimii celulelor biologice31

Pentru moleculele mici hidrofile i pentru ap aceast explicaie a suscitat numeroase controverse. Difuziunea apei este mult mai intens dect a oricrei substane. De aceea s-a admis c n acest caz transportul se realizeaz prin difuziune simpl mediat de proteine. De exemplu apa care traverseaz n cele dou sensuri membrana hematiei n timp de o secund are volumul mai mare de 100 de ori dect volumul hematiei, dar fluxul net este nul i volumul hematiei rmne constant. In anumite condiii poate apare o diferen de concentraie transmembranar pentru ap i atunci exist un flux hidric net ducnd la turgescena celulei. Transportul apei poate fi blocat prin adugarea substanelor care conin mercur. Adugarea hormonilor antidiuretici n rinichii mamiferelor i n pielea de broasc crete puternic viteza de micare a apei n epitelii. In rinichii mamiferelor acest flux de ap este esenial pentru abilitatea rinichiului de a reine apa n organism n perioade de dezhidratare (n special pentru animalele care triesc n deert). Fenomenul de difuziune a apei prin membranele celulare este fenomenul de osmoz, pus n eviden de Dutrochet n anul 1809, cu mult nainte de a se cunoate structura membranei celulare. In prezent sunt n studiu i alte fenomene legate de transportul apei, sub dou aspecte: a) precizarea strii apei, n special cea intracelular, unde o parte din molecule sunt n stare liber iar altele legate, ndeosebi la nivelul proteinelor b) punerea n eviden a structurilor de la nivelul membranei ce concur la transport c) existena unor pori sau canale specifice apei d) existena unor canale sau pori de transport pentru ap i unii anioni e) existena unor transpotori Tehnicile de mare precizie a msurtorilor vor da probabil rspuns la aceste ntrebri.32

Sau poate se va confirma observaia lui Schrodinger dup care materia vie nu eludeaz legile fizicii, ci poate s implice alte legi ale fizicii, necunoscute nc. Este deci posibil ca unele cercetri din biologie s antreneze noi cercetri n domeniul fizicii, aa cum unele fenomene din fizic au impus dezvoltarea unor noi formalisme matematice care s le poat explica.

II.2.3.2. Difuziunea facilitat Ca i n cazul difuziunii simple, difuziunea facilitat conduce doar la un transport de solvit n sensul gradientului de concentraie. Pentru anumite substane transportul prezint trsturi incompatibile cu difuziunea simpl i anume: difuzia are loc mult mai rapid dect n difuzia simpl (chiar de 100.000de ori) viteza de difuzie prezint saturaie cnd concentraia extern a solvitului crete transportul poate fi inhibat prin analogi structurali ai solvitului Dac se reprezint grafic viteza de difuzie n funcie de concentraie se obine graficul din Fig.II.5.

33

Fig.II.5 Transportul pasiv In cazul difuziei facilitate se consider c la transport particip un constituent al membranei, cel mai adesea o protein, care recunoate solventul, accelernd transportul. Substanele sunt transportate prin intermediul unor proteine specifice care se comport ca nite enzime (se i aseamn cu cataliza enzimatic). Fiecare protein transportoare prezint un loc specific de legare a substanei transportate; cnd toate locurile de legare sunt ocupate, viteza de transport ajunge la o valoare maxim, caracteristic fiecrui transportor, ceea ce explic saturaia. Extinderea i detaliile cunoaterii transportorilor de glucoz din celulele organismului animal au permis s se formuleze unele ipoteze privind transportul facilitat. Mecanismul difuziei facilitate comport dou etape: a) substana transportat este recunoscut de transportator b) transportul propriu-zis O diagram formal a unui model de transport facilitat este modelul carrier.34

In acest caz proteinele care se comport ca nite transportatori mobili, (realizeaz transportul prin mecanismul carrier= transportator), fac naveta prin membran. (Fig.II.6)

Fig.II.6 Modelul carrier al difuziei facilitate Modelul cel mai cunoscut este modelul ping-pong. Etapele corespunztoare pentru schimbrile de conformaie ale proteinelor au viteze diferite (de la sute la milioane de schimbri pe secund). In multe cazuri schimbrile de conformaie ale transportorului ncrcat sunt mai rapide dect pentru transportorul nencrcat.

II.2.3.4. Canale ionice Dac ionii ar trece prin membranele celulare doar prin difuzie-solubilitate, atunci viteza lor de difuzie ar fi extrem de mic. Sodiul, potasiul, calciul, protonii, ionii bicarbonat sunt toi foarte necesari celulelor i intr i ies foarte rapid din celul. S-a gsit c fluxurile rapide de ioni trec prin canale care sunt molecule proteice.

35

Canalele ionice sunt proteine, sunt specifice pentru un anumit tip de ioni i prezint caracteristicile enzimelor: energie redus pentru transportul substanelor i pot fi blocate. Difuziunea prin canalele ionice se deosebete de cea facilitat dei i aceasta este mediat tot de proteine care faciliteaz transportul. Viteza de transport este mult mai mare dect n cazul difuziei facilitate i, n plus, nu exist saturaie (dup cum se observ din Fig.II.5). Transportorii de tipul valinomocinei pot transporta circa 10 4 ioni/s n timp ce prin canale pot trece circa 10 7 ioni/s. Studiul canalelor s-a fcut folosind un antibiotic care omoar bacteriile gram-pozitive, denumit gramicidin. Ea acioneaz ca un ionofor, care are afinitate pentru cationi. Viteza de micare a ionilor prin stratul bilipidic este msurat electric prin msurtori de conductan, care urmresc intensitatea curentului generat de ioni. Exist o literatur bogat privind canalele ionice; din pcate ns exist i numeroase aspecte care nu sunt nc elucidate. Cel mai simplu model de canal ionic este un por cilindric de seciune uniform care se extinde prin membrana celular, selectnd ionii, n principal datorit mrimii deschiderii porului. Apar ns aspecte neelucidate legate de permeabilitatea pentru ioni cu sarcini diferite i de selectivitatea fa de ioni de aceeai sarcin. Schema unui canal ionic este dat n Fig. II.7

36

Fig.II.7 Canalul ionic Nomenclatura canalelor se stabilete n funcie de tipul ionilor pentru care ele au permeabilitate maxim n condiii fiziologice normale. Canalele ionice au o proprietate particular: prezint dou stri moleculare alternative: permit (prin deschidere) trcerea ionilor opresc (prin nchidere) trecerea ionilor Trecerea canalelor dintr-o stare n alta este probabilist. Canalele ionice sunt bariere de selectivitate (datorit unei grupri electronegative F.S) i bariere de permeabilitate. Deschiderea i nchiderea porului, proprietate care se numete gating, se manifest prin tranziiile aleatoare ntre conformaii conductoare i neconductoare ale canalelor ionice. Evolutiv canalele ionice au aprut drept rezultat al necesitii celulelor de a fi capabile s recepioneze informaii din mediul exterior i de a le transmite ulterior. Din acest punct de vedere exist dou tipuri de canale ionice: Canale ionice specializate n codarea informaiei n poteniale de aciune i medierea acestora37

Canale ionice specializate n detecia diferiilor stimuli cum ar fi lumina, temperatura, stimuli chimici Canalele implicate n generarea potenialelor de aciune sunt la rndul lor: 1. Canale al cror gating este determinat de interaciunea lor cu molecule specifice (acetilcolina, histamine, etc.) i se numesc LGIC=ligand gated ion channel) 2. Canale ar cror gating este determinat de interaciunea cu un cmp electric transmembranar (VGIC=voltage gated ion channels) canalele de Na, K i Ca. Poarta este comandat de un senzor, care este o grupare de particule ncrcate, capabile s se deplaseze n cmp electric. Aceast afirmaie a fost verificat experimental n anul 1973, prin msurarea curentului de poart. Cu ajutorul tehnicii patch-clamp s-a reuit efectuarea unor msurtori la nivelul unui singur canal ionic. II.2.3.5. Tehnica patch-clamp de studiu a curenilor transmembranari Tehnica patch-clamp sau single channel recording permite msurarea curentului electric transmembranar printr-un singur canal ionic. Aceast metod de msur a fost dezvoltat de Erwin Neher i Bert Sackman la mijlocul anilor 1970. Pentru metoda de cercetare patch-clamp aceti cercettori au primit premiul Nobel pentru medicin n anul 1991. Prin aceast metod se poate izola electric o parte infim (patch=petic) din membrana celular aplicnd pe suprafaa extern a unei celule o micropipet de sticl (patch electrod) cu diametrul vrfului de aproximativ 1m (pentru a avea o imagine a scalei trebuie s ne gndim c nsi celula are un diametru de 2050m). Se lucreaz la microscop cu un micromanipulator. Regiunea membranei de aceast dimensiune conine doar unul sau cteva canale ionice. Prin aplicarea unei depresiuni la gura pipetei se poate trage o bucic din membran i se poate detaa aceast38

bucat din membrana nsi. Se pot msura variaii de curent corespunztoare deschiderii unui canal ionic, mai mici de 0,2 picoamperi. Prezentm n continuare foarte succint pricipalele rezultate ale metodei de cercetare, patch-clamp: Tehnica patch-clamp d informaii despre structura canalelor ionice, funciile lor i interaciunea acestora cu alte proteine. Acest tip de experimente dau informaii asupra procesului de transport prin canalele ionice n scopul elaborrii unui model fizic adecvat pentru difuzia ionilor prin porul proteinei. Tehnica patch-clamp d informaii importante legate de probabilitatea de deschidere a unui canal n anumite condiii. Pe baza unor programe de calcul se poate evalua timpul ct un canal ionic este deschis pentru trecerea ionilor. Una din problemele fundamantale legat de structura i funciile canalelor ionice se refer la estimarea numrului de stri de tip nchis i deschis pe care le poate asigura un canal precum i determinarea vitezei de tranziie ntre aceste stri. Este imposibil de evaluat momentul n care un canal ionic realizeaz tranziia molecular ntre cele dou stri precum i durata ct se menine n aceast stare. Dup cum am artat mai nainte, ideea msurtorilor este simpl ns aspectele tehnologice ridic probleme destul de complicate, avnd n vedere faptul c se urmrete nregistrarea unor cureni de ordinul picoamperilor cu frecvene mari, care sunt pot fi foarte uor alterai de zgomotele electrice externe. II.3. Fenomene bioelectrice celulare Bioelectrogeneza este fenomenul de producere de electricitate n organismele vii. Apariia fenomenelor electrice n esuturile vii reprezint una din caracteristicile fundamentale ale vieii celulelor.39

Prezena n citoplasma oricrei celule ct i n fluidele extracelulare a atomilor i moleculelor ionizate i faptul c activitatea metabolic menine diferena de concentraie a acestor ioni, face ca fenomenele electrice s fie proprii tuturor celulelor vegetale i animale. Bioelectrogeneza se manifest prin existena unor fenomene electrice i comport dou etape: Meninerea unei diferene de potenial la nivelul membranei Schimbarea strii electrice ca rspuns la mediul extern Bioelectrogeneza se ntlnete la toate nivelele de dezvoltare. De asemenea, toate celulele vii i manifest starea de activitate prin generarea unor fenomene electrice. Bacteriile i organismele celulare manifest o evident activitate electric ce depinde de condiiile de mediu. Tensiunile electrice ale unor peti (Electrophorus electricus) pot ajunge pn la 500-600V. Pentru toate organismele vii, unitile de baz ale electrogenezei sunt celulele. II.3.1. Potentialul de repaos celular O caracteristic important a oricrei celule vii este existena unei diferene de potenial electric ntre faa extern i cea intern a membranei celulare. Deoarece att citoplasma ct i fluidele interstiiale au conductivitate ridicat, n interiorul lor potenialul este constant, deci potenialul de repaos celular (PR) este diferena de potenial dintre interiorul celulei i mediul extern (spre deosebire de potenialul activ din timpul activitii celulelor excitabile). Posibilitatea msurrii potenialului care se formeaz pe membranele celulelor vii se datoreaz cercetrilor iniiate de biofizicianul american Keneth Cole i a britanicilor Alan Hodkin i Andrew Huxley. Aceti cercettori au inventat i perfecionat microelectrozii de sticl, care sunt pipete (micropipete cu vrful de 0,5m) care nu produc leziuni membranei la strpungerea ei.40

Intre microelectrodul de sticl din citoplasm i un electrod de calomel de exemplu, plasat n soluia extern, apare o diferen de potenial, interiorul celulei fiind ntotdeauna negativ fa de exterior. Potenialul de repaos are valori bine determinate pentru fiecare celul, variind ntre -50V i -100 mV (Fig.II.12). Valoarea PR difer de la specie la specie i de la o celul la alta. El este supus influenei mediului extern, precum i a hormonilor, astfel c potenialul de repaos este un bun indicator al funcionrii celulei. Dup moartea celulei diferena de potenial dintre cele dou fee ale membranei se anuleaz.

Fig.II.12 Potentialul de repaos celular (PR) Prin definiie s-a considerat c PR este potenialul de echilibru electrochimic ntre interiorul i exteriorul celulei pentru ionul de K+ care, dup legea lui Nernst este:

41

VK = unde V K

e RT c K ln i F cK (II.18) e este potenialul de repaos, c K este concentraia de i

potasiu n exteriorul celulei iar c K este concentraia de potasiu n interiorul celulei. Deoarece concentraia de potasiu este mai mare n interiorul celulei, deoarece membrana celular este permeabil n special pentru potasiu, potenialul de repaos este negativ. Na ramne mult mai abundent n spaiul extracelular dect n citoplasm dei gradientul de concentraie tinde s-l introduc n interior. Concentraia sa rmne constant datorit unui proces de scoatere n afar, care este rezultatul unui proces de transport activ. Pentru acest transport este necesar, dup cum am artat, energie metabolic. Deci prin membrana au loc n permanen fluxuri pasive de ioni, compensate de fluxuri de sens contrar ce se desfoar cu consum de energie metabolic. Potenialul de repaos arat c celula nu este niciodat n repaos absolut. Starea de repaos este o stare staionar; prin membran trec n permanen fluxuri ionice pasive i active. Ionii vor avea aceeai concentraie de o parte i de alta a membranei doar cnd celula moare. II.3.2. Schema electric echivalent a membranei celulare Schema electric echivalent a membranei celulare neexcitabile este dat n Fig.II.13. In Fig.II.13 CM este capacitatea electric a membranei, iar EK, ENa, ECl, sunt potenialele de echilibru electrochimic ale fiecruia dintre ioni. Din punct de vedere electric, membrana este un condensator cu capacitatea electric de 1F/cm2.42

Fig.II.13 Schema electric echivalent a membranei Aplicnd legea lui Ohm, obinem: V = IRt (II.19) unde rezistena total a circuitului este dat de : 1 1 1 1 = + + Rt R K R Na RCl (II.20) rezistenele fiind legate n paralel, iar intensitatea curentului total debitat de baterie este: I= E K E Na ECl + + RK R Na RCl (II.21)

Dac se folosesc conductanele, 1 gi = Ri (II.22)43

mpreun cu relaia (II.20), expresia (II.19) devine: g K E K + g Na E Na + g Cl E Cl g K + g Na + g Cl (II.23) Formula (II.23) d mai bine dect relaia lui Nernst, valorile potenialului celular de repaos. Potenialul dat de (II.23) tinde la potenialul de echilibru electrochimic Ei al acelui ion, cnd conductana membranei pentru acel ion este mult mai mare dect pentru ceilali. V =

III. TERMODINAMICA BIOLOGICUnul din factorii abiotici cu profunde implicaii pentru organisme este temperatura. nsi apariia vieii a fost posibil la o anumit temperatur. De acest factor depinde existena vieii pe pmnt i tot ea influeneaz una dintre cele mai importante proprieti ale sistemelor vii, metabolismul. Termodinamica biologic se ocup cu studiul proprietilor fizice ale sistemelor biologice din punct de vedere al conversiei energiei i al fenomenelor termice. III.1.1. Sisteme termodinamice Sistemele biologice constau dintr-un numr mare de componente (atomi i molecule) aflate n interaciune dar pot fi considerate macroscopice deoarece sunt mult mai mari dect dimensiunile particulelor componente. Studiul sistemelor se face mai uor la echilibru, adic n starea n care sistemul nu mai sufer schimbri macroscopice observabile. Din punct de vedere al interaciunii cu mediul nconjurtor, sistemele termodinamice se clasific astfel:44

1) sisteme izolate sunt acele sisteme care nu schimb nici energie nici substan cu mediul exterior 2) sisteme nchise sunt acele sisteme care nu schimb substan dar schimb energie cu mediul exterior 3) sisteme deschise sunt acele sisteme care schimb att energie ct i substan cu mediul exterior. Sistemele biologice sunt sisteme deschise. Mrimile macroscopice care caracterizeaz un sistem termodinamic i raportul acestuia cu mediul nconjurtor se numesc parametri macroscopici. Totalitatea parametrilor independeni care determin starea sistemului se numesc parametri de stare. Parametrii care determin complet starea sistemului la momentul considerat i nu depind de istoria anterioar a sistemului se numesc funcii de stare. Starea unui sistem termodinamic constituit dintr-un fluid se determin complet cu ajutorul masei m, a volumului V i a presiunii p, prin ecuaia de stare. Pentru gazele ideale aceast ecuaie de stare este legea gazului ideal: m pV = RT M (III.1) n (III.1) M este masa molecular a gazului iar T este temperatura sa absolut. Dac i n mecanic apar noiuni ca masa, presiunea (dup cum am vzut n capitolul I), specific pentru termodinamic este temperatura. Pentru ca dou sisteme s se afle n echilibru termic este necesar i suficient ca temperaturile lor s fie egale.

45

III.1.2. Principiile termodinamicii III.1.2.1. Principiul 0 al termodinamicii Principiul 0 al termodinamicii este principiul tranzitIIIitii i afirm c, dac sistemul A este n echilibru cu sistemul B iar B este n echilibru termic cu sistemul C, atunci sistemul A este n echilibru cu sistemul C. Principiul 0 al termodinamicii st la baza msurrii temperaturii comparndu-se temperatura corpului a crui temperatur vrem s o determinm cu un etalon, care este termometrul. Pentru a msura temperatura se folosesc diferite fenomene, deci exist diferite tipuri de termometre. La baza funcionrii acestor termometre stau variaia presiunii, volumului, rezistenei unui conductor sau semiconductor cu temperatura etc. Exista dou scri de temperatur folosite la noi n ar: scara Celsius i scara temperaturilor absolute. Scara de temperatur este complet definit dac se fixeaz un anumit punct ca reper. Acest punct se alege punctul triplu al apei (adic temperatura la care coexist cele trei faze: gazoas, lichid i solid), care are valoarea Ttriplu=273,15K. III.1.2.2. Principiul I al termodinamicii Principiul I al termodinamicii este principiul conversiei energiei i constituie o extindere a legii conservrii energiei. A fost formulat datorit lucrrilor medicului Robert Mayer, care, mergnd la tropice, a fcut observaii asupra sngelui, remarcnd diferene fa de zona mai rece din care venea. n zonele mai calde consumul de oxigen este mai mic pentru c organismul are nevoie de mai puin energie metabolic pentru meninerea temperaturii corpului. Pentru a explicita acest principiu vom prezenta mai nti cteva noiuni fundamentale din termodinamic.46

Energia intern a unui sistem se compune din energia cinetic a moleculelor aflate ntr-o continu micare dezordonat. ntr-un gaz ideal energia intern este suma energiilor de translaie, de rotaie i de vibraie a moleculelor. Enegia intern este o funcie de stare i are expresia: U = Ecii =1 N

(III.2) unde Eci este energia cinetic a particulei i. Energiile de translaie, de rotaie i de vibraie a moleculelor depind de numrul de grade de libertate (numrul variabilelor independente ce caracterizeaz starea sistemului). Astfel o molecul monoatomic are 3 grade de libertate, una biatomic are 5 grade de libertate (3 de translaie i 2 de rotaie deoarece micarea n jurul axei proprii nu schimb configuraia n spaiu) iar moleculele triatomice i poliatomice au 6 grade de libertate. n medie statistic, fiecrui grad de libertate a unei molecule i corespunde o energie cinetic i deci o energie termic egal cu: 1 = kT 2 (III.3) k fiind constanta lui Boltzmann. Pentru o molecul cu i grade de libertate, energia cinetic medie are valoarea: i E c = kT 2 Energia intern a unui mol de gaz va fi atunci: NA i i i U = kT = N A kT = RT 2 2 2 1 (III.4) R fiind constanta gazului ideal (R=8310 J/K). Din (III.4) se observ c energia intern a gazului ideal nu depinde dect de temperatur i nu i de volum.47

Organismele vii sunt sisteme a cror energie intern poate crete sau poate s scad n funcie de diferite condiii (vrst, stare fiziologic, etc.) Lucrul mecanic este o mrime ce depinde de procesul termodinamic (transformarea pe care o sufer sistemul respectIII) i nu o funcie de stare aa cum este energia intern. Pentru a defini lucrul mecanic, s considerm un gaz nchis ntr-un cilindru cu ajutorul unui piston mobil de arie S. Gazul exercit o presiune asupra pistonului i l mpinge astfel c acesta se deplaseaz pe distana infinitezimal dr . Lucrul mecanic elementar este dup definie (Fig. III.1): L = Fdr (III.5)

Fig.III.1 Lucrul mecanic elementar efectuat de un gaz Dar cum fora care acioneaz asupra pistonului este F = pS (p fiind presiunea exercitat de gaz) rezult c: L = Fdr = pdV (III.6) Principiul I al termodinamicii a fost formulat prima dat de ctre medicul german R. Mayer i acesta afirm c: a) Dac sistemul se consider izolat adiabatic (adic nu se face schimb de cldur cu mediul inconjurator), Q = 0 i: L = dU (III.7) b) Dac sistemul nu este izolat adiabatic, pentru procese infinitezimale principiul I al termodinamicii se scrie: Q = dU + L (III.8)48

Dac se nlocuiete expresia lucrului mecanic din formula (III.6), atunci se obine principiul I al termodinamicii Principiul I al termodinamicii are forma local: Q = dU + pdV (III.9) Sub forma global principiul I al termodinamicii se poate scrie: Q = U + L (III.10) Din expresia ( III.8) sau (III.9) pentru principiul I al termodinamicii rezult o concluzie asupra funcionrii mainilor termice. Dac ntr-o main termic substana de lucru efectueaz un ciclu de transformri dup care revine n poziia iniial, deci U = U f U i = 0 Q = L , i ca urmare se poate obine lucru mecanic numai pe baza schimbului de cldur cu exteriorul. Este imposibil construcia unui perpetuum mobile de spea I, adic a unei maini care s produc lucru mecanic fr a primi energie. Aceasta este de fapt o alt formulare a principiului I al termodinamicii. III.1.2.4. Principiul al II-lea al termodinamicii Conform primului principiu al termodinamicii nu este posibil un proces n care nu se conserv energia. Exist ns procese care respect aceast lege i totui nu se petrec n realitate. De exemplu, cldura trece de la corpul mai cald la corpul mai rece, invers ns nu se relizeaz niciodat de la sine (fr consum energetic din afar). Experiena arat c procesele se produc ntr-un sens bine determinat.49

Principiul I al termodinamicii nu d ns nici o explicaie n acest sens. Procesele care se petrec numai ntr-un anumit sens se numesc ireversibile. Dac un sistem trece dintr-o stare A n starea B i la revenirea n starea iniial, starea mediului nconjurtor este diferit de cea iniial, procesul este ireversibil. Procesele reale sunt ireversibile. Un sistem care iniial nu este n echilibru (are gradient de concentraie, temperatur) evolueaz ntotdeauna n sensul trecerii spre starea de echilibru. Cldura nu trece de la sine de la corpul mai rece la corpul mai cald este formularea lui Clausius pentru principiul al II-lea al termodinamicii. Pentru definirea matematic a acestui principiu Clausius introduce o funcie de stare (aa cum este energia intern pentru principiul I al termodinamicii) entropia, S. Principiul al II-lea al termodinamicii afirm c n timpul proceselor naturale entropia unui sistem izolat crete, atingnd valoarea maxim la echilibru termodinamic. Acest principiu se scrie sub forma: S 0 (III.12) Semnul > se refer la procesele ireversibile iar semnul de egalitate se refer la cele reversibile. Principiul al II-lea al termodinamicii se mai numete principiul creterii entropiei. Clausius a definit entropia pentru procesele reversibile sub forma: Q dS = T (III.13) iar pentru cele ireversibile Q dS > T (III.14)50

Deci pentru procesele reversibile cldura schimbat ntr-un proces termodinamic este: Q = TdS

(III.15) Semnificaia geometric a cldurii ntr-un sistem de axe temperatur-entropie (T-S) este aceeai cu a lucrului mecanic n diagrama P-V, adic ea este aria suprafeei delimitat de curba transformrii i axa OS. Diagrama interpretrii geometrice a cldurii drept suprafaa haurat este dat n Fig.III.2. Atunci pentru procesele reversibile, din (III.8 ) i (III.13) se obine TdS = dU + pdV (III.16) Expresia ( III.16) este ecuaia termodinamicii Alte formulri ale principiului al II-lea al termodinamicii vor fi prezentate n continuare, pe baza studiului celei mai importante aplicaii a fenomenelor termice, motorul termic.

Fig.III.2 Semnificaia geometric a cldurii

51

III.1.2.5. Ciclul Carnot Cea mai important aplicaie a principiilor temodinamicii este motorul termic. Acesta a fost construit de inginerul francez Sady Carnot i funcioneaz dup un ciclu termodinamic nchis, denumit ciclul Carnot. Acesta este format din dou transformri adiabatice i dou transformri izoterme, care ntr-un sistem de axe T,S se reprezint sub forma unui dreptunghi, ca n Fig.III.3.

Fig.III.3 Ciclul Carnot Randamentul motorului termic ce funcioneaz dup un astfel de ciclu este: L = Q (III.17) unde L este lucrul mecanic produs de motor iar Q cldura primit de motor. ntruct ciclul este nchis, variaia total de energie intern este nul i, conform principiului I al termodinamicii,52

L = Q1 Q2 (III.18) Q1 fiind cldura primit de la izvorul cald iar Q2 cldura cedat izvorului rece. Din (III.17 ) i (III.18 ) se obine: Q Q2 = 1 Q1 (III.19) Dar conform definiiei (III.15) se poate scrie: Q1 = T1 ( S 2 S1 ), Q2 = T2 ( S1 S 2 ) (III.20) Aici T1 i T2 reprezint temperatura izvorului cald, respectIII rece iar S1 i S2 entropiile n strile respectIIIe. Pentru randamentul motorului termic se obine atunci dup (III.19): T = 1 2 T1 (III.21) Din expresia ( III.21) se obin urmtoarele concluzii: Randamentul unui motor termic nu depinde de substana de lucru ci numai de temperaturile sursei calde i a sursei reci. Randamentul unui motor termic este ntotdeauna subunitar ntruct T1 nu poate fi i nici T2 nu poate fi 0. Kelvin a artat c nu se poate efectua un proces n care s se transforme complet cldura n lucru mecanic, ceea ce constituie o alt formulare pentru principiul al II-lea al termodinamicii. Un motor funcioneaz cu dou izvoare de cldur. Aceast concluzie conduce la o alt formulare a principiului al II-lea al termodinamicii.53

Este imposibil construcia unui perpetuum mobile de spea II-a , o main care ar da energie (lucru mecanic) pe seama rcirii unui singur rezervor termic. De exemplu, nu se poate realiza un motor care s lucreze pe seama rcirii apei oceanelor. Deci dei plutete pe un ocean de energie, omenirea folosete tot benzin sau crbuni. III.1.2.7. Principiul al III-lea al termodinamicii Principiul al II-lea al termodinamicii nu face nici o precizare cu prIIIire la comportarea sistemelor n vecintatea temperaturii de zero absolut (00K) i posibilitatea atingerii acestei temperaturi. Principiul al III-lea al termodinamicii se refer la entropia unui sistem a crui temperatur tinde la 00 K. Principiul al III-lea al termodinamicii precizeaz c entropia oricrui sistem la temperatura de 00 K este nul.

lim S = 0T 0

i ca o consecin nici un sistem nu poate fi rcit la temperatura de 0K.

III.1.2.8. Imposibilitatea atingerii temperaturii de zero absolut Din analiza ciclului Carnot rezult, c randamentul este egal cu unitatea cnd T10 sau T2 . Mai mult, o main frigorific trebuie s consume aceeai energie pentru a aduce un corp la temperatura T = 0K ca i n cazul n care ar trebui s aduc un corp la temperatura T . Dac ar exista ns un corp cu temperatura de 0K, aceasta ar echIIIala cu posibilitatea construciei unui motor monoterm (cu un singur izvor de cldur), adic ar exista posibilitatea construciei unui perpetuum mobile de spea a II-a, fapt interzis54

de principiul al II-lea al termodinamicii. Studiul unui ciclu Carnot permite i demonstrarea imposibilitii atingerii temperaturii de zero absolut. Aceast demonstraie se face prin reducere la absurd. S considerm un ciclu Carnot care evolueaz ca n Fig. III.4, adic temperatura izvorului rece este de T2 = 0K.

Fig.III.4 Imposibilitatea atingerii temperaturii de 0K Deoarece ciclul Carnot este reversibil i entropia este o funcie de stare, variaia total de entropie n timpul unui ciclu este nul, adic: S = S12 + S 23 + S 34 + S 41 + 0 Dar Q S12 = 1 T1 S 23 = 0 (transformarea 2-3 este adiabatic) S 34 = 0 (conform principiului al III-lea al termodinamicii) S 41 = 0 (transformarea 4-1 este adiabatic) Sumnd variaiile entropiilor, pentru ciclul ntreg se obine S = 0 ceea ce contrazice prima relaie. Rezult c pe izoterma de zero absolut 3-4 nu se poate realiza o transformare termodinamic. Deci temperatura de 0K nu este realizabil.55

IV.1.1. Aciunea undelor electromagnetice asupra plantelor Din punct de vedere al energiei pe care o transport undele electromagnetice pot fi radiaii neionizante i ionizante. Radiaiile luminoase (cu lungimi de und cuprinse ntre 400-760nm), dei au domeniul lungimilor de und foarte mic n spectrul undelor electromagnetice au un rol primordial asupra vieii. Intr-un capitol anterior am prezentat rolul radiaiilor luminoase n fotosintez. In cele ce urmeaz vom prezenta cteva efecte ale altor radiaii asupra plantelor i animalelor. Diferitele regiuni ale spectrului undelor electromagnetice au efecte fiziologice foarte diferite, funcie de frecvena sau lungimea lor de und. Faptul c radiaiile electromagnetice au diferite efecte se explic prin faptul c acestea posed energii diferite n funcie de frecven. Explicaia acestor efecte se poate face doar n cadrul teoriilor cuantice (lumina, ca de altfel undele electromagnetice n general, are att caracter ondulatoriu ct i corpuscular). IV.1.2. Aciunea radiaiilor neionizante asupra organismelor vii Radiaiile neionizante sunt acele radiaii care nu produc ionizri. Acestea sunt: Microundele (MW), Radiaiile infraroii (IR), Radiaiile vizibile (VIS) Radiaiile ultraviolete (UV) Efectele fiziologice produse de radiaiile electromagnetice neionizante depind de modul cum sunt absorbite radiaiile electromagnetice. Microundele i radiofrecvenele sunt puin absorbite deoarece energiile acestor fotoni sunt prea mari pentru a produce micri de rotaie sau de torsiune ale moleculelor, ci numai56

agitaia termic a moleculelor, de aceea aceste radiaii trec aproape neatenuate.

IV.1.3. Efectul radiaiilor infraroii asupra organismelor. Fizica proceselor de emisie a radiaiilor a artat c orice corp aflat la o temperatur superioar lui 00K emite radiaii electromagnetice (legea lui Kirchoff), radiaii care constituie radiaia termic. Domeniul infrarou al spectrului undelor electromagnetice constituie radiaia termic. Aciunea radiaiilor infraroii este ndeosebi caloric. Dac aciunea radiaiilor infraroii este de scurt durat, acestea stimuleaz activitatea celulelor i esuturilor. Pentru aceasta se folosesc lmpi electrice ce emit radiaii infraroii astfel nct temperatura se poate ridica n boxe cu 6-80C i se reduce umiditatea relativ cu 12-16%. IV.1.4. Efectul radiaiilor luminoase asupra organismelor Lumina are importan n realizarea unor procese vitale pentru existena plantelor i animalelor. Sub influena luminii au loc urmtoarele procese: Fotosinteza Fotoperiodismul (alternanta zi-noapte) Fototropismul:pozitiv(floarea soarelui) si negativ (regina noptii) Fotomorfogeneze (aparitia unor fenofaze la o anumit iluminare Lumina afecteaza plantele atat prin intensitate, durata si lungime de und.

57

IV.1.5. Efectul radiaiilor ultraviolete (UV) asupra organismelor Efectele acestor radiaii sunt att folositoare ct i nocIIIe. La nivel celular, radiaiile UV cu lungimi de und mari acioneaz asupra citoplasmei iar cele cu lungimi de und mici, asupra nucleului. La anumite doze i lungimi de und radiaiile UV determin modificarea structurii AND, prin desfacerea punilor de hidrogen dintre bazele azotate. In acest fel se produc anomalii cromozomiale cu efecte mutagene. In acelai timp, radiaiile din UV apropiat se folosesc pentru efectul lor de fotorestaurare (raparaie a AND), la fel ca i radiaiile albastre. Ultravioletul ndeprtat are o puternic aciune bactericid, distrugnd att bacteriile ct i virusurile. La baza aciunii bactericide st aciunea acestor raze de a produce timina, care mpiedic replicarea AND. Iradierea a fost folosit n cazul unor insecte duntoare, pentru sterilizarea masculilor. Astfel s-a fcut ca aceste insecte, care depreciau pielea animalelor pe care depuneau oule, s fie distruse Radiaiile UV, alturi de existena apei, au concurat, se pare, la apariia vieii pe pamnt. IV.2. Efectele radiatiilor ionizante asupra organismelor Radiaiile ionizante sunt radiaiile de mare energie care sunt capabile s produc ionizri; acestea sunt: Radiaiile X Radiaiile + Radiaiile (electroni) i (pozitroni) Radiaiile Neutroni Observaie58

In ciuda faptului c particulele sunt nuclee de heliu iar sunt electroni i pozitroni, denumirea folosit n mod curent este cea de radiaii din motive istorice. IV.2.1. Efectele radia iilor X asupra organismelor Puterea mare de penetrare i absorbia difereniat a radiaiei X n interiorul esuturilor face ca acestea s fie folosite n examenul radiologic. Tesutul este iradiat cu raze X i se urmrete radiaia transmis. Aceasta impresioneaz un ecran fluorescent, a crui luminozitate este observat vizual (radioscopie) sau pe o pelicul fotosensibil (radiografie). IV.2.2. Dezintegrarea radioactiv Savantul francez H.Bequerel a observat c mineralele de uraniu i compuii care conin uraniu, eman radiaii invizibile cu proprietati speciale. E.Rutherford i Soddy au efectuat o experien prin care au demonstrat c radioactivitatea este legat de transformarea prin dezintegrare a atomilor unui element n atomii altui element. Radiaiile nucleare sunt acele radiaii, denumite , , care sunt emise de nucleele atomice. Energia acestor radiaii este mare, ele produc ionizri i de aceea sunt clasificate, mpreun cu radiaiile X, n categoria radiaiilor ionizante. Fenomenul de dezintegrare radioactiv a fost studiat de Becquerel i de soii Pierre i Marie Curie. Primul element radioactiv obinut a fost denumit Poloniu n cinstea patriei Marieei Curie care era de origine polonez. Urmtorul element descoperit, radiul, cel mai activ a dat i denumirea fenomenului respectiv de radiaoactivitate. Marie Sklodovska Curie (1867-1934), a primit premiul Nobel pentru cercetrile n domeniul radioactIIIitii n anul 1903 mpreun cu Becquerel i cu soul ei, apoi singur n anul 1911. Este singura femeie care are n palmares dou premii Nobel.

59

IV.2.3. Tipuri de radiaii nucleare S-a constatat, imediat dup descoperirea radioactivitii, c radiaia este de natur corpuscular (o particul este identic cu nucleul de He) radiaia , tot de natur corpuscular, const dintr-un flux de electroni (e-10), pentru radiaia - sau de pozitroni (e+10) pentru +, iar radiaia este de natur electromagnetic, avnd lungimi de und cuprinse ntre 10-10 - 1015 m. IV.2.4. Legile dezintegrrii radiactive Fenomenul de dezintegrare radioactiv (sau de radioactivitate) const n transformarea unor nuclee instabile n alte nuclee mai stabile, nsoit de emisie de particule radioactive. Prin dezintegrri radioactive, nucleele i schimb structura, dup cum urmeaz: A A 4 4 Z X Z 2Y + 2 A A 0 Z X Z +1Y + 1 e A A 0 Z X Z 1Y + +1 e (IV.1) Radiaiile nsoesc radiaiile i , dar pot apare i singure; fotonii avnd sarcin i mas de repaus nule, nu schimb izotopul primar, dac dezintegrarea nu este nsoit de alte dezintegrri radioactive. Relaiile (IV.1) sunt cunoscute sub denumirea de legile deplasrii nucleelor, deoarece n urma dezintegrrilor, elementele care le suport se deplaseaz cu una, dou csue n sistemul periodic al elementelor. Dezintegrarea radioactiv este un fenomen statistic i nu sa descoperit pn n prezent, vreo posibilitate de influenare a ritmului n care au loc.

60

Numrul de nuclee dN care se dezintegreaz ntr-un timp dt este proporional cu numrul total N de nuclee de tipul respectiv din preparat i cu intervalul de timp dt: dN = Ndt (IV.2) n relaia (IV.2) este constanta de dezintegrare i este o caracteristic a fiecrei specii nucleare. Semnul indic o scdere a numrului de nuclee care se dezintegreaz pe msur ce timpul crete. Dac la momentul iniial t0=0, preparatul coninea N0 nuclee radioactive, numrul de nuclee radioactive care se mai afl n preparat dup timpul t (adic numrul de nuclee rmase nedezintegrate) se obine din relaia (IV.2) prin integrare: N = N 0 exp( t ) (IV.3) Aceasta este legea dezintegrrii radioactive. Timpul T1/2 dup care numrul de nuclee rmase nedezintegrate scade la jumtate se obine imediat din (IV.3), dac se ia N=N0/2. Se gsete imediat c: ln 2 T1 = 2 (IV.4) Acesta este timpul de njumtire i, la fel ca i constanta de dezintegrare , este o caracteristic a fiecrei specii nucleare. Exist izotopi radioactivi cu timpi de njumtire foarte 214 mici (de exemplu izotopul 84 Po are T1/2=3.10-7s) sau din contr, foarte mari (se estimeaz c izotopul144 60

Nd are T1/2=5.1015ani).

Relaia (IV.3) indic faptul c, n orice moment, orict de ndeprtat de cel iniial (al obinerii preparatului radioactiv) mai exist nuclee nedezintegrate. Numrul de nuclee dezintegrate n unitatea de timp

61

dN dt (IV.5) se numete vitez de dezintegrare sau activitate radioactiv. Utiliznd relaia (IV.2), (IV.5) devine dN = = N dt (IV.6) Viteza de dezintegrare scade exponenial n timp. Combinnd (IV.6) cu (IV.2), se obine imediat = 0 exp( t ) (IV.7) Viteza de dezintegrare se msoar n dezintegrri pe secund. Unitatea de msur pentru viteza de dezintegrare (activitatea radioactiv) n Sistemul Internaional de Uniti (SI) este denumit Becquerel (Bq) i ea reprezint 1 dezintegrare pe secund. Se tolereaz ca unitate de msur a activitii radioactive, cea denumit Curie, egal cu 1Ci=3,7.1010 dezintegrri pe secund 1Ci este definit ca activitatea (n particule ) a unui gram 226 de Ra pur, proaspt preparat. (1Ci = 3,7.1010 Bq). Curie-ul este o activitate foarte mare, periculoas pentru om, chiar i la un timp de expunere scurt. = IV.2.5. Sisteme i uniti de msur pentru dozele de radiaii Pentru msurarea efectelor biologice produse de radiaiiile ionizante se folosesc dou sisteme de msur: 1) sistemul rngenologic 2) sistemul radiobiologic 1) Sistemul rngenologic are la baz faptul c ionizarea produs de radiaiile ionizante ntr-o anumit mas de aer este determinant pentru aciunea biologic a radiaiilor X i ,62

indiferent de frecvena lor (acest sistem se folosete numai pentru radia iile X i pn la o energie de 3 MeV) Ca mrime de baz n sistemul rntgenologic este doza de ioni. Doza de ioni se definete ca sarcina electric total a ionilor de un anumit semn, produi de radiaia incident, ntr-un Kg de aer uscat la 0 0C i presiune atmosferic normal. dQ I= dm Unitatea de msur este coulomb/Kg. O unitate tolerat folosit este Rntgen-ul. 1Rntgen este intensitatea radiaiei care produce prin ionizare o sarcin electric de 2,58.10-4 Coulombi ntr-un Kilogram de aer. Aceast unitate nu este ns aplicabil, dup cum am artat, pentru radiaiile sau . 2) Sistemul radiobiologic se bazeaz pe msurarea energiei absorbit de esut i este folosit pentru evaluarea efectelor biologice produse de orice radiaie ionizant. Acest sistem introduce trei mrimi: a)-doza de energie b)-efectivitatea biologic relativ c)-doza biologic Doza de energie (D) reprezint energia transferat prin interaciune unitii de mas din mediul iradiat. Unitatea pentru doza de energie absorbit de corpuri este rad-ul (rntgen absorbed dose) In SI unitatea pentru doza de energie este denumit Gray (Gy). 1Gy = 100 rad. Efectivitatea biologic relativ se refer la efectele diferitelor tipuri de radiaii n raport cu efectele produse de radiaia standard care este radiaia Rntgen de 200KW. De exemplu efectivatea biologic relativ este: = 1 pentru radiaii i ; = 20 pentru radiaii 63

Doza biologic de radiaii (B) este definit prin relaia: B =D Pentru doza biologic de radiaii se folosete unitatea denumit simbolic rem (rntgen-equivalent-man) IV.2.6. Efectul radiaiilor ionizante asupra funciilor celulare Radiaiile ionizante produc o modificare a permeabilitii membranelor biologice. Exist rezultate care arat c, sub influena radiaiilor ionizante, se schimb echilibrul ionic (crescnd permeabilitatea pentru ap i electrolii) ceeace are ca rezultat modificarea raportului ionilor de K i Na. Testele au artat c se produc modificri att n transportul activ ct i n cel pasiv, modificndu-se puternic potenialul de repaos al membranelor celulare. De asemenea, n astfel de cazuri, substanele cu mas molecular mare pot penetra, n mod anormal, membrana. Aceste procese influeneaz starea proteinelor intracelulare, activitatea enzimelor i deci funcia fiziologic a celulei. Se ntlnesc i cazuri cnd se produce o scdere a coeficientului de difuziune. Sub aciunea radiaiilor ionizante se produce o modificare a dimensiunilor celulare. Astfel, pentru doze mici de radiaii masa celulelor crete la nceput datorit apariiei unor celule uriae, dup care scade din nou. Un alt efect este ntrzirea mitozei la doze mici i suprimarea ei la doze mari. Radiosensibilitatea celulei variaz n diferitele etape ale diviziunii celulare. In sfrit, la doze mari de radiaii, apare moartea celular imediat sau ntrziat. IV.2.7 Efecte genetice ale radiaiilor ionizante Aberaiile cromozomiale produse de radiaii reprezint unul dintre efectele cele mai grave din punct de vedere al consecinelor. Dup Sax i Lea aberaiile cromozomiale se produc64

datorit modificarii cromozomilor care au fost supui iradierii. Cromozomul poate reveni la structura original (fenomen denumit restituie) sau fragmentele pot rmne n mod permanent. In alte cazuri se pot produce rearanjamente care determin de asemenea aberaii ceromozomiale. Aberaiile cromozomiale nu pericliteaz viaa celulei ci dau natere la mutaii cromozomiale (indiferent dac apar spontan sau sunt produse de substane mutagene). Aberaiile cromozomiale pot fi clasificate dup cum urmeaz: 1) deleiile, care sunt pierderi de segmente de la capetele sau din interiorul cromozomului 2) duplicaiile, ce reprezint dublarea unor segmente din cromozomi 3) inversiile, care sunt inversiuni de 1800 ale unor segmente 4) translocaiile, care apar prin unirea unui fragment lateral al cromozomului, cu unul central. In anul 1927 H.G. Muller pune n eviden, pentru prima dat, efectul mutagen al radiaiilor ionizante la Drosophila melanogaster. Mutaiile sunt modificri ireversibile ale materialului genetic, induse de diveri factori fizici (dintre care radiaiile ionizante ocup un rol esenial), chimici i biologici. Prin mutant se nelege individul care se deosebete prin caracterele sale modificate, de indivizii din care a fcut parte. Mutaiile pot fi naturale (spontane) i artificiale (induse). Efectele genetice ale radiaiilor ionizante sunt dependente de doz, de tipul radiaiei ionizante, viteza diviziunii celulare, numrul i lungimea cromozomilor, reversibilitatea leziunilor cromozomiale etc. Cercetrile n domeniul radiogeneticii au ca scop att descoperirea unor mecanisme ale radiomutagenezei ct i obinerea unor mutani cu o valoare economic mare. Astfel japonezul Tazima a descoperit un mutant la viermele de mtase care are un randament sporit n producerea mtsii. Iradierea a fost folosit i pentru combaterea insectelor duntoare iradiind masculii cu doze mari pentru a-i steriliza.65

O serie de evenimente cu un puternic impact asupra oamenilor, cum a fost accidentul nuclear de la Cernobl din 26 aprilie 1986, au zguduit opinia public prin efectele sale care sunt puternice i n momentul de fa i au reintrodus n rndul preocuprilor individuale i ale instituiilor studiul efectele radiaiilor ionizante. Inc nu se cunosc toate efectele pe termen lung ale puternicei iradieri produse i la noi de explozia reactorului nuclear de la Cernobl, care a eliberat n atmosfer o mas de substan radioactIII cu o energie de 10 ori mai mare dect cea eliberat n urma exploziei bombei nucleare de la Hiroshima. In legatur cu motenirea Cernobl-ului, J.T.Smith i colaboratorii, n lucrarea Cernobils legacy in food and water , Nature 2000, apreciaz c efectele acestei catastrofe vor fi timp de 30 de ani dup accident n Anglia i circa 50 de ani n rile din fosta Uniune Sovietic.

PARTEA A II-A AGROMETEOROLOGIAV. ATMOSFERAV.1. Pmntul i atmosfera terestr Atmosfera este un inel de aer care nconjoar pmntul. Pe o cale sau alta, atmosfera influeneaz tot ce vedem, ea este legat intim de viaa noastr. Dac noi putem supravieui fr hran cteva sptmni, sau fr ap cteva zile, fr aer nu putem tri mai mult de cteva minute. Pmntul fr atmosfer nu ar avea lacuri i oceane, nu ar avea sunete sau nori, imaginea cerului albastru ar lipsi. Trind pe suprafaa pmntului, suntem adaptai att de complet cu existena sa nct uneori uitm c aerul este substanial pentru viaa noastr. Si chiar dac aerul nu poate fi pipit, nu are miros i66

este invizibil, el protejeaz pmntul de razele pustiitoare care vin de la soare i permite astfel vieii s nfloreasc. Dei nu-l putem vedea, pipi sau mirosi, este surprinztor c ntre ochii notri i paginile acestei cri sunt trilioane de molecule de aer! V.2. Compoziia aerului atmosferic Atmosfera, unde au loc fenomenele care determin vremea, este compus dintr-un amestec de gaze n care sunt suspendate particule fine solide i lichide. Unele dintre aceste particule (picturi de ap i cristale de ghea)sunt vizibile sub forma norilor. Atmosfera pmntului are forma unei anvelope subiri. Poriunea din atmosfer care conine circa 99% din masa atmosferei are o grosime de numai 0,25% din diametrul pmntului. In grosime, atmosfera pmntului seamn cu coaja unui mr! Compoziia aerului este destul de eterogen, masa principal fiind dat de amestecul de gaze. Astfel n 10 tone, care este aproximativ masa atmosferei pn la distana de 1 m de sol i la nivelul mrii, sunt 9,98 tone de aer, 20 Kg de ap (echivalent cu 20 mm de ap din precipitaii) i circa 1 Kg de materii solide fin divizate, din care, o mic parte, microorganisme. Particulele solide sunt reprezentate de minerale sau microorganisme avnd dimensiunile de civa nanometri. Ele sunt particule minerale duse de vnt de la sol spre nlime sau din emanaiile vulcanice care ajung pn n straturile superioare ale atmosferei, n timpul marilor erupii. De asemenea ele pot fi particule organice (n special polen) care pot fi transportate la sute de km de la locul de origine, sau particule cosmice, de origine meteoric. Compoziia aerului este aceeai pn la circa 80 Km nlime, datorit curenilor de aer care o omogenizeaz.67

Din punct de vedere al compoziiei aerului, atmosfera se mparte n dou pri: a)omosfera, partea inferioar, pn la 80 de Km b)eterosfera, partea superioar, unde gazele sunt stratificate. Aerul a fost considerat mult vreme ca fiind un element chimic simplu. Aceast idee a fost infirmat de Lavoisier care a identificat i denumit principalele dou gaze componente ale aerului atmosferic: azotul i oxigenul. Ulterior s-au descoperit i celelalte gaze. Compoziia aerului atmosferic uscat din omosfer este: 1)azot 78,08% 2)oxigen 20,95% 3)argon 0,93% 4)dioxid de carbon 0,033 5)neon 0,0018 6)heliu 0,00052 7)metan 0,00014 Unele gaze apar datorit unor reacii fotochimice (ozon, oxid de azot), altele apar n urma unor procese microbiologice (amoniac, metan), iar altele sunt emanaii din sol (dioxid de carbon, dioxid de azot). In jurul centrelor industriale i n timpul erupiilor vulcanice, cantitile de dioxid de carbon cresc. Aerul uscat poate fi considerat ca un gaz unic cu masa molecular 28,97 Kg/Kmol i comportndu-se ca un gaz perfect. El conine ap (deci nu este uscat) sub cele trei forme de agregare ce formeaz aproximativ 5% din volumul aerului. Aceasta se gsete n straturile inferioare ale atmosferei unde formeaz norii i precipitaiile. Pentru viaa plantelor cei mai importani constitueni sunt azotul, oxigenul, dioxidul de carbon i vaporii de ap. In cazul eterosferei, compoziia aerului se modific, continund s predomine azotul i oxigenul. ntre 100-110 Km nlime, oxigenul se disociaz sub influena radiaiilor ultraviolete i trece n stare atomic. Masa molecular a aerului68

scade la 24,35Kg/Kmol. La peste 400 Km i azotul devine monoatomic, iar la peste 1.000 Km se trece la gaze uoare, aprnd plasma. V.3. Poluarea aerului Aa cum am artat deja, aerul conine impuriti, lichide sau solide, aflate n suspensie. Aerul este deci un mediu coloidal n care aerul reprezint mediul de dispersie, iar particulele mediul dispersat. Aceste particule formeaz aerosolul atmosferic. Componena solid este format din pulberi minerale i vegetale, nisipuri, pulberi vulcanice,microorganisme, polen. Unele particule din aerul atmosferic sunt higroscopice i constituie centri de condensare pentru vaporii de ap. Altele nu sunt higroscopice, au dimensiuni mici, cad cu viteze foarte mici, determinnd reducerea vizibilitii. Toate aceste suspensii, la care se adaug produsele de ardere din centrele industriale i ale automobilelor, constituie factori de poluare ai aerului atmosferic. Activitatea uman produce numeroase impuriti care se degaj n atmosfer. De exemplu gazele de eapament conin mari cantiti de dioxid de azot, monoxid de carbon i hidrocarburi. Dioxidul de azot d atmosferei culoarea neclar. Unele hidrocarburi sunt cunoscute ca fiind cancerigene. Ele reacioneaz cu oxizii azotului i, n prezena luminii, produc poluani fotochimici, cel mai important rezultant fiind ozonul, care este nociv pentru bolnavii de inim. Prelucrarea carbonifer i a petrolului produce o mare cantitate de dioxid de sulf care, n combinaie cu apa din