BIOFIZICA

Biofizica este stiinta care studiaza diferite procese si fenomene ce au loc intr-un organism viu si care stabileste legi intre diferite marimi fizice, ea fiind o stiinta de granita cu caracter interdisciplinar, avand relatie cu biologia, fizica, chimia, biochimia si matematica.

Istoricul evolutiei biofiziciiLeonardo da Vinci studiaz mecanismele mersului nlocuind cercuri elastice muchii de pe schelet; de asemenea studiaz hemodinamica. Explic funcionarea ochiului pe principiul camerei obscure. Descoper rolul de lentil a cristalinului i explic formarea imaginii pe retin. Explic perceperea reliefului ca efect al vederii binoculare. Alfonso Borreli considera procesele fiziologice rezultnd din principii fizice i mecanice. De asemenea descrie funcia scheletului i a muchilor. Luigi Galvani a pus n eviden pentru prima dat legtura dintre contracia muscular i curentul electric. n exemplul su a utilizat o lab de broasc izolat mpreun cu nervul sciatic pe care a fixat-o cu ajutorul unui fir de Cu de partea de Fe a balconului. La btaia vntului prin contactul pe care-l facea laba cu Fe balconului aprea contracia muscular ( producerea unui circuit electric care excita nervul respectiv. Explicaia: apariia unei diferene de bipotenial ). Laba = primul instrument de determinare a potenialelor electrice = laba galvanoscopic. n 1770 1880 Lavoisier Frana i Crawford Anglia, stabilesc legtura dintre procesul combustiei i respiraiei. n 1802 Thomas Young a propus teoria tricromatic a vederii colorate. A iniiat studii de hidrodinamic a circulaiei sanguine. n 1848 Du Bois Reymond a realizat primele nregistrri a potenialului de aciune. Bazele teoretice ale biofizicii s-au mbogait prin elaborarea in 1968 de ctre Bernstein a primei teorii ionice care s explice originea diferenelor de potenial la nivelul membranei biologice. Hermann Helmholtz a descoperit faptul c energia se consum att n sistemele vii ct i n cele nevii iniiind astfel termodinamica biologic. Lucrarile sale din 1860 asupra vederii si auyului au pus bazele fizice ale abordarii senzoriale. n secolul XX cercetrile n toate ramurile biofizicii au fost consumate. Hodking Anglia i Cole S.U.A au aprofundat cercetarile asupra sistemului nervos i a transmisiei semnalelor electrice. Lund drept criteriu de clasificare nivelul de organizare a materiei vii, ramurile principale ale biofizicii sunt urmatoarele: Biofizica moleculara studiaza proprietatile moleculelor, substantelor care alcatuies cmateria vie, si fenomenele la care iau parte acestea; Biofizica celulara studiaza aspectele mecanice( biomecanica), aspectele electrice (bioelectricitate) si aspectele termice(termodinamica). Se ocupa cu comportarea din punct de vedere fizic al celulelor individuale: limfocite, eritrocite, neuroni si fibre musculare; 1

Biofizica sistemelor complexe: fenomenele fizicii ce intervin in receptia auditiva,vizuala, in functia neurolnilor si in contractia musculara. Procesele biologice suntproduse cu ajutorul unor procese chimice si fizice ale vietii, pe care le studiaza atat biochimia cat si biofizica. Biofizica este de mare utilitate, atat pentru studiile fiziologice, ea analizand la nivel molecular si submolecular, procesele fiziologice, ea este indispensabile intelegerii proceselor biofizice si biochimice si a unor capitole esentiale din ecologie, genetica si morfologie; Biofizica medicala studiaza aplicatiile fizicii in diagnosticare Scopurile biofizicii medicale pot fi ordonate in patru grupe: 1. pe baza fundamentelor biofizicii se ncearc formarea gndirii medicale i biologice a viitorilor medici 2. adncirea cercetrii fundamentale n principalele ei direcii de investigare biofizic 3. o cercetare practic prin utilizarea calculatoarelor n investigaii de laborator si chiar clinic 4. lrgirea perspectivelor biofizicii n formele de nvatamnt

Relatia Biofizicii cu alte stiinte: 1. Stiinte fizice:Fizica, Chimia, Biochimia. 2. Cibernetica. 3. Stiinte bio-medicale: Genetica, Fiziologia, Fiziopatologia, Clinca medical. 4. Problematica special: Principii si mecanisme fizice ale functionrii sistemelor biologice, Interactia sistemelor biologice cu factorii fizici ambienti. 5. Metode: Experimentale, Teoretice. 6. Aplicatii: Clinice, Agrozootehnice, Industriale. BIOFIZCA se ocup de 3 probleme fundamentale: 1.Studierea fenomenelor fizice implicate n functionarea sistemelor biologice 2. Folosirea tehnicilor fizice pentru cercetarea unor probleme de biologie 3. Cercetarea efectelor biologice ale factorilor fizici Aparitia biofizicii este o consecint a folosirii din ce n ce mai largi a tehnicilor fizice n stiintele biologice, n medicin, a necesittii unei abordri cantitative si analitice a fenomenelor biologice. nclinarea omeneasc de a explica functionarea organismului s-a conturat nc din antichitate. Astfel n antichitate erau folosite fenomenele si factorii fizici n vederea prevenirii si vindecrii unor maladii. Astfel antichitatea roman cunostea talasoterapia, popoarele bazinului mediteranean foloseau plaja si solarul constienti de efectul razelor UV. n evul mediu se remarc Leonardo da Vinci cu studii asupra zborului psrilor, preocupri pe care le ncadrm azi n biomecanic. n sec. XVIII se remarc L. Galvani prin observatiile sale asupra excitabilittii muschiului de broasc. n sec. XIX Helmholtz a msurat viteza influxului nervos. n sec. XX, mentionm lucrrile lui Danielli asupra structurii

2

membranelor biologice, apoi G. Palade a initiat aplicarea microscopului electronic n cercetarea biologic. Leonardo da Vinci studiaz mecanismele mersului nlocuind cercuri elastice muchii de pe schelet; de asemenea studiaz hemodinamica. Explic funcionarea ochiului pe principiul camerei obscure. Descoper rolul de lentil a cristalinului i explic formarea imaginii pe retin. Explic perceperea reliefului ca efect al vederii binoculare. Alfonso Borreli considera procesele fiziologice rezultnd din principii fizice i mecanice. De asemenea descrie funcia scheletului i a muchilor. Luigi Galvani a pus n eviden pentru prima dat legtura dintre contracia muscular i curentul electric. n exemplul su a utilizat o lab de broasc izolat mpreun cu nervul sciatic pe care a fixat-o cu ajutorul unui fir de Cu de partea de Fe a balconului. La btaia vntului prin contactul pe care-l facea laba cu Fe balconului aprea contracia muscular ( producerea unui circuit electric care excita nervul respectiv. Explicaia: apariia unei diferene de bipotenial ). Laba = primul instrument de determinare a potenialelor electrice = laba galvanoscopic. n 1770 1880 Lavoisier Frana i Crawford Anglia, stabilesc legtura dintre procesul combustiei i respiraiei. n 1802 Thomas Young a propus teoria tricromatic a vederii colorate. A iniiat studii de hidrodinamic a circulaiei sanguine. n 1848 Du Bois Reymond a realizat primele nregistrri a potenialului de aciune. Bazele teoretice ale biofizicii s-au mbogait prin elaborarea in 1968 de ctre Bernstein a primei teorii ionice care s explice originea diferenelor de potenial la nivelul membranei biologice. Hermann Helmholtz a descoperit faptul c energia se consum att n sistemele vii ct i n cele nevii iniiind astfel termodinamica biologic. Lucrarile sale din 1860 asupra vederii si auyului au pus bazele fizice ale abordarii senzoriale. n secolul XX cercetrile n toate ramurile biofizicii au fost consumate. Hodking Anglia i Cole S.U.A au aprofundat cercetarile asupra sistemului nervos i a transmisiei semnalelor electrice. Pentru o nelegere mai bun a esenei biofizicii este indicat o privire istoric asupra dezvoltrii tiinelor naturii. nclinarea omeneasc de a explica funcionarea organismului prin factori ai ambianei s-a conturat nc din epocile timpurii ale istoriei: n Grecia antic erau cutate corespondene ntre sntate i manifestrile atmosferice, ncercndu-se folosirea fenomenelor i factorilor fizici n vederea prevenirii i vindecrii unor maladii; n secolul V .e.n. Alcmaeon fcea diferena dintre artere i vene; popoarele bazinului mediteranean foloseau "arenoria" i "heliosul",adic plaja i soarele; n Egipt, papirusurile vorbesc despre circulaia sanguin sau conin informaii despre difuzia oxigenului prin plmni. La dezvoltarea tiinelor biologice i-au adus o contribuie foarte important reprezentanii lumii arabe, descoperirile lor fiind ns de multe ori uitate sau necunoscute i "redescoperite" ulterior de reprezentani ai culturilor occidentale. Astfel, n 980 e.n. Abu Al-Quasim Al-Zahravi (Abucasis) realizeaz o sistematizare a tehnicilor chirurgicale, incluznd i disecia; n 1020 Abu Ali Al-Hussain Ibn Abdallah Ibn 3

Sina (Avicenna) descrie anatomia ochiului i a valvelor inimii; n 1240 Ibn Al-Nafis Damishqui descrie sistemul circulator. Ulterior, Evul Mediu avea s mbogeasc acest fond de noiuni graie dezvoltrii empirice a practicii medicale i a progreselor pe care le-a fcut anatomia. Primele cercetri de biofizic trebuiesc considerate studiile lui Leonardo da Vinci asupra zborului psrilor, n care a ncercat s explice micarea vertebratelor n termenii fizicii pre-newtoniene; n 1490 el face observaii asupra aciunii capilarelor. Secolele XVI XVII aduc i ele nouti n domeniu: n 1540 Servetus descoper circulaia pulmonar a sngelui; n 1619 Harvey descoper circulaia sngelui; n 1680 Borelli descrie natura mecanic a sistemului scheleto muscular. In secolul al XVIII-lea apar cele dinti studii asupra electricitii animale, prilejuite de primele descoperiri legate de sursele de curent electric. Luigi Galvani (1737-1798) arat n lucrarea "De viribus electricitatis in motu Iuliana Lazr 8 musculari" c esuturile produc electricitate. n 1771 descoper i natura electric a impulsurilor nervoase. El intr ntr-o lung disput cu Alessandro Volta (1745-1798), descoperitorul potenialelor de contact i inventatorul elementelor voltaice, care contest ideea existenei unei electriciti de origine animal, considernd c msurtorile lui Galvani reprezint un rezultat al electricitii de contact ntre cele dou metale ale excitatorului. Alexander von Humbold (1760-1859) este cel care ntr-o lucrare din tineree, a tranat aceast disput dovedind c de fapt cele dou fenomene coexist: msurtorile pun n eviden att un curent electric generat de contactul metalic, ct i o producer real de electricitate animal. n 1801, fizicianul i medicul englez Thomas Young a propus ipoteza tricromatic a vederii, aceasta stnd la baza tuturor teoriilor moderne asupra vederii colorate. In secolul al XIX-lea fizica s-a dezvoltat ca o disciplin teoretic,formulnd principii de mare generalitate care explic regulariti aparent fr nici o legtur ntre ele. Astfel, mecanica lui Newton explica micarea planetelor, cderea corpurilor i mareele. Pe de alt parte, disciplinele biologice din secolul trecut erau fie descriptive (sistematice), fie experimentale (fiziologice), acestea din urm ncercnd s stabileasc corelaii ntre fenomene. Un cercettor de referin din perioada respectiv a fost Herman von Helmholtz (18211873) fiziolog, fizician i matematician. Printre cele mai importante realizri ale sale trebuie trecut, n 1850, msurarea vitezei de propagare a impulsului nervos, utiliznd un galvanometru balistic. Rezultatul obinut, de 25-30 m/s a fost confirmat mai trziu, cnd a fost posibil utilizarea unor instrumente mai performante. Alte contribuii la dezvoltarea biofizicii sunt: msurarea efectului termic al activitii musculare, perfecionare teoriei tricromatice a vederii, elaborarea teoriei auzului i a acomodrii cristalinului. El a fost cel dinti care a explicat timbrul sunetelor prin suprapunerea diferitelor armonice, eliminnd ideea c perceperea muzicii se datoreaz unor factori psihologici. Revenind la problema pus iniial: "Cum definim biofizica n ansamblul tiinelor biologice?" putem accepta rspunsul c este o disciplin care studiaz viaa cu ajutorul modului de gndire i a metodelor fizicii, la diferite nivele de organizare: molecular, celular sau la nivelul sistemelor complexe. Studiul acestor nivele diferite de organizare utilizeaz un aparat teoretic i experimental diferit. Totodat acest studiu se poate face printr-o abordare de tip analitic, atunci cnd se intr n detaliul de desfurare al proceselor sau printr-o abordare de tip sistemic cnd se formuleaz legi i teorii generale.

4

Prin nsi natura sa de multidisciplinaritate, biofizica are n mod necesar, legturi strnse cu alte tiine sau ramuri tiinifice dintre care amintim: biologia, fizica, chimia, matematica.

Biofizica molecular studiaz structura i proprietaile biomoleculelor n sens fizic ca fore interatomice, fore intermoleculare, structura spaial a biomoleculelor i modificarnea acesteia n procesele biologice. Structura spaial a macromoleculelor ( ADN, ARN, proteine) prin difracie de raze x pe cristalele acestor macromolecule sau prin tehnic de rezonan magnetic molecular de nalt rezoluie i spectografie de infrarou. Studiaz i interacia existent ntre macromolecule n timpul unor procese biologice cum ar fi: recunoaterea enzimatic, imunologic. Studiaz procese ce au loc la ansamblarea macromoleculelor si la denaturarea lor.

BIOFIZICA CELULAR

Biofizica celular analizeaz din punct de vedere fizic comportamentul celulelor individuale, modificrile ce apar la aceste celule n cazul strilor normale i patologice. Din punct de vedere fizic acest lucru nseamn: apariia i protejarea potenialelor de membran transport activ si pasiv modificrile configuraiei spaiale n funcie de factorii fizici curgerea cinetic a hematiilor i trecerea lor prin capilare Biomecanica studiaz un domeniu larg, pornind de la diferitele tipuri de locomoie animal, pn la mobilitatea celular i proprietile mecanice ale componenilor celulari Biofizica studiaz urmatoarele celule: limfocitele; eritrocitele; neuronii; fibrele musculare; celulele receptoare;

Ca subiecte specifice biofizicii celulare distingem: generarea si propagarea influxului nervos; cuplarea, excitaia, contracia; interaciuni specifice celulare; mecanisme de traducere a stimulilor la nivelul celulelor receptoare; Din acest motiv este bine a se cunoate pn unde se poate diviza un fenomen n vederea abordrii sale corecte i nemodificate. 5

Biomecanic / Bioenergetic = fotosintez, bioluminiscen, producere de enrgie n sisteme biologice inclusiv transformerea acestor forme de energie pn la degradarea lor. Biotermodinamic Bioelectricitate Optic fiziologic Neurobiofizic Radiobiologia Radiobiofizic

BIOFIZICA SISTEMELOR COMPLEXE

Analizeaz structura i funcionarea ansamblurilor celulare din punct de vedere fizic ca expresie a integrarii activitaii celulelor componente. Subiectele specifice domeniului sunt: bioelectrogeneza esuturilor i organelor operarea analizatorilor biologici bioenergetica motilitaii i contraciei stilul i organizarea reelelor neuronale i activitatile complexe din creier cum ar fi: memoria, recunoaterea formelor, nvaarea, intuiia, contiina.

Molecula 6

1) Definiie Molecula este cea mai mic particul dintr-o substan, care poate exista n stare liber i care prezint toate proprietile substanei respective. 2) Caracteristici sunt particule materiale, neutre din punct de vedere electric au mas i dimensiuni foarte mici se afl ntr-o continu micare pot fi formate din atomi identici sau diferii ntre moleculele unei substane exist spaii numite spaii intermoleculare

Notiuni de fizica moleculara a lichidelor Forte si legaturi intermoleculare n lichide. Moleculele lichidelor interacTioneaz n general prin forte de tip Van de Waals. Legaturile Van der Waals se ntlnesc n cazul dipolilor electrici. ntr-un dipol electric centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu cel al sarcinilor negative. Moleculele pot fi dipoli instantanei pentru un interval de timp foarte scurt, dar, prin mediere n timp, acest comportament dipolar dispare n cazul moleculelor perfect simetrice. n general, moleculele se pot comporta ca dipoli permanenti sau indusi (n prezenta unor cmpuri electrice exterioare moleculele nepolare pot deveni dipoli indusi). Dintre dipolii permanenti se pot mentiona apa, lipidele, proteinele etc.

Fig. 1 Interactiile Van der Waals pot fi, n functie de caracterul dipolului, de tip: - dipol instantaneu dipol instantaneu; 7

- dipol instantaneu dipol permanent; - dipol permanent dipol permanent. Un alt tip de legaturi ntlnite la lichide sunt cele coordinative (mai puternice). n acest caz exista o suprapunere partiala a norilor electronici ai moleculelor. ntre moleculele lichidelor exista si forte de repulsie datorate respingerii sarcinilor de acelasi fel. n functie de natura legaturilor pe care le contin, lichidele sunt: - simple (contin numai legaturi Van der Waals exemplu, alcoolul); - complexe (n afara legaturilor van der Waals contin si alte legaturi, mai ales de tip coordinativ exemplu, apa). Un grup special l constituie cristalele lichide n care legaturile intermoleculare realizeaza structuri ordonate unidimensional si chiar bidimensional, extinse pe distante mari Tipuri de legaturi moleculare in lichide Legaturi Van der Waals dipol permanent dipol permanent dipol indus dipol indus dipol permanent dipol indus Legaturi de hidrogen (H) (coordinative) Interactii ion-ion Interactii ion-dipol Dipoli Dipoli permanenti: Molecule in care exista o distributie permanenta a sarcinilor pozitive spre unul din polii moleculei si a sarcinilor negative spre celalalt pol (molecule polarizate permanent) Dipoli indusi: Molecule nepolarizate permanent, dar care devin polarizate sub influenta unui cmp electric extern

Legturi van der Walls

8

9

Legturi de hidrogen

Modele moleculare ale starii lichide 10

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

Cristale lichide: Sunt faze intermediare (mezofaze), anizotrope, de trecere de la solid la lichid pentru anumite substante. Au proprietati: de lichid fluiditatea, de solid (cristalin) structur ordonat spaial Tipuri de Cristale lichide Termotrope : tranzitia la faza de cristal lichid este influentata de temperatura Nematice 11

Smectice (ex: mielina) Colesterice sunt optic active (ex: colesterolul) Liotrope : tranzitia la faza de cristal lichid e influentata de concentratie (si mai putin de temperatura). Exemplu: Membranele celulare Cristale lichide termotrope

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

12

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

Cristale lichide lipotrope

13

Molecula de apa

Structura moleculei de ap

1

H: 1s1; 8O: 1s22s22p4

.. H:O:;..

.. HO:; H H 2O

H

Atomul de oxigen este legat covalent de cei doi atomi de hidrogen, ntre oxigen i fiecare hidrogen este o distan de 0,99A.Direciile celor dou legturi O-H formeaz ntre ele un unghi de 105grd. 14

Cei 10 electroni ai apei sunt distribuii astfel nct densitatea electronic maxim se afl n vecintatea atomului de oxigen, n consecin centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu cele negative, n consecin molecula de ap se comport ca un dipol electric.

Structura moleculei de ap

Aranjament spaial tetraedric, Dipol electric Apa poate exista in trei stari de agregare: solida - gheata; lichida - apa; gazoasa - vaporii de apa. 15

Apa n stare lichid

Modele ale apei lichide: Modelul retelei cristaline partial distruse: Datorita agitatiei termice unele se rup, apar domenii microcristaline intre care circula molecule libere legaturi de H

Modelul gramezilor temporare: cooperativitate in formarea si desfacerea legaturilor de H, apar domenii dinamice Modelul domeniului unic: modelul actual; un domeniu unic cu discontinuiti locale

Modelul actul:forma si dimensiunile grmezilor de molecule se schimb n permanent ca urmare a formrii si ruperii continue de legturi de hidrogen.

16

Apa in stare solida: Forme diferite de cristalizare, in functie de temperatura, presiune, existenta unor nuclei de cristalizare Cele mai comune forme, la presiune atmosferica: Gheata hexagonala (temperaturi -80 0 C), Gheata cubica (temperaturi < -80 C) Legaturile de H formate sunt permanente Ghiata hexagonal

17

Ghiata cubic

Proprietatile fizice ale apei. Rolul apei n sistemele biologice. Proprietatile fizice ale apei. Apa are proprietati fizice speciale, care se explica prin caracterul ei dipolar si prin capacitatea de a forma legaturi de H. Dintre cele mai importante pentru sistemele biologice se pot mentiona: caldura specifica mult mai mare dect cea a oricarei substante solide sau lichide, este foarte importanta n procesele de termoreglare la nivelul organismului viu. De exemplu, eforturi musculare intense ar putea duce la o suprancalzire. conductibilitate termica de cteva ori mai mare dect cea a majoritatii lichidelor : amortizor termic al apei n organism; caldura latenta de vaporizare mult mai mare dect a altor lichide: factor determinant al homeotermiei (transpiratie); densitate maxima la 40C importanta pentru viata acvatica constanta dielectrica foarte mare favorizeaza disociatia electrolitica tensiune superficial mare (fenomene interfaciale, capilaritate) Rolul apei n sistemele biologice: apa este un component major al materiei vii. Date privind compozitia n ap a unor tesuturi si organe: creier 77%, ficat 75%, plmn 81%, inim 77%, rinichi 78%, muschi 76%, dinte 9%, os 43%, pr 4%. Organismul uman are un mare continut n apa (65-70%). O mare parte a apei din organism manifesta proprietti fizice deosebite: se evapora foarte greu, ngheata la temperaturi mult sub 00C, nu dizolva cristaloizii, nu participa la osmoza aceasta este apa legata. Existenta apei legate se explica prin prezenta unui mare numr de specii moleculare, macromoleculare si ionice, care structureaz apa din jur. O mare parte a apei intracelulare prezint un grad superior de ordonare. Aceasta ordonare are un rol important n desfsurarea proceselor celulare (excitatie, contractie, diviziune, secretie etc). O serie de studii au artat ca apa 18

este compartimentalizat: exista apa libera, apa partial legata si apa legata, fiecare din aceste compartimente avnd proprietti specifice.

Modificri biologice induse de deuterizarea apei intracelulare Rolul deosebit de important pe care l joac apa n structura si functia sistemelor biologice poate fi apreciat si dup efectele produse de nlocuirea apei cu apa grea. Analiznd structura molecular a apei grea, arat un grad de ordonare mult mai ridicat. Propriettile fizico chimice ale apei grea depind de faptul c deuteriul realizeaz legturi coordinative mai puternice cu elementele electronegative de tipul O sau N si acest fapt ar putea avea ca rezultat realizarea n celul a unor complexe ap-proteine mai stabile. nlocuirea apei cu deuteriul duce la disocierea rspunsului electric de cel mecanic n fenomenul contractiei musculare, forta de contractie scade. La nivelul miocardului apar modificri profunde evidente pe ECG. La nivelul fibrei nervoase, creste pragul de excitabilitate al fibrei nervoase.

ELEMENTE DE OPTIC BIOLOGIC

Ochiul este un organ a crui principal funcie este de a detecta lumina. Se compune dintrun sistem sensibil la schimbrile de lumin, capabil s transforme lumina n impulsuri luminoase. Vederea la om Ochiul este un organ complex, percepe formele, micrile, relieful, culorile i diferenele de luminozitate. Lumina ptrunde prin partea din fa a ochiului, printr-o membran transparent denumit cornee (rol de a devia traiectoria luminii, pentru a ajunge la retin), nconjurat de o zon denumit albul ochiului sau sclerotic. n spatele corneei se gsete irisul, un disc colorat (diferit la fiecare persoan) n culori precum verde, albastru, cprui sau roz. ntre cornee i iris exist un lichid numit umoare apoas. Irisul e perforat n centru de un orificiu de culoare neagr, denumit pupil ce regleaz cantitatea de lumin ce cade pe retin. Lumina traverseaz n continuare cristalinul, cu rol de lentil biconvex, apoi un alt lichid, corpul vitros sau umoarea sticloas. n final, imaginea este proiectat n profunzimea ochiului pe o membran denumit retin. Pleoapele i genele protejeaz ochii. O membran subire transparent, denumit conjunctiv, cptuete interiorul pleopelor i o parte din sclerotic. Glande mici, localizate sub ploape, produc n permanen lacrimile. Formarea imaginii Pentru ca razele de lumin s se poat focaliza, trebuie s se refracte. Cantitatea de refracie depinde de distana de la care este vzut obiectul. Un obiect situat la distan necesit mai puin refracie dect unul situat n apropiere. Cea mai mare parte a procesului de refracie se desfoar n cornee, la interfaa cu aerul. Restul refraciei necesare, n raport cu distana la care se afl obiectul, are loc n cristalin. 19

Parti ale ochiului Sclerotica este o membran sidefie, de natur conjunctiv, slab vascularizat, avnd rol protector. n partea anterioar a globului ocular formeaz corneea transparent. Corneea face parte din prima tunic a globului ocular. Ea are rol n sensibilitatea proprioceptiv a ochiului (termic, tactil, de durere), fiind inervat de ramura oftalmic a nervului cranian IV. Corneea este transparent, avascular, bogat inervat, avnd o reea de terminaii nervoase libere sensibile la durere, presiune, tact, cald i rece. Coroida reprezint tunica mijlocie a ochiului. Ea este de culoare neagr i e puternic vascularizat. Prezint anterior irisul, cu un orificiu numit pupila. Irisul este o parte a ochiului, i este o diafragm opac prevzut cu o deschidere numit pupil, prin care trec razele de lumin ctre cristalin. Irisul are pigmeni care dau culoarea ochilor (ochi albatri, cprui, verzi). Pupila este un orificiu circular sau alungit, negru, de mrime variabil n centrul irisului care regleaz cantitatea de lumin care intr n ochi.Are culoarea neagr deoarece marea parte a luminii care intr n pupil este absorbit de ctre esuturile biologice din ochi. Umoarea apoasa este un lichid incolor, limpede i ocup spaiul dintre cornee i cristalin. Este produs de ctre procesele ciliare n camera posterioar i ajunge n camera anterioar prin pupil. Prsete globul ocular prin filtrul trabecular, respectiv canalul Schlemm. Retina este un strat subire de celule din globul ocular, responsabile de transformarea luminii n semnale nervoase. Structura retinei Prin observarea retinei la microscop se poate vedea stratificarea acesteia avnd mai multe tipuri de celule care se pot categorisi n: Celule fotosensibile care recepioneaz lumina si o trasform n impuls nervos, acestea fiind celulele cu conuri i celulele cu bastonae. Celulele interneuronale aici ncadrndu-se celulele bipolare i orizontale care sunt celule neuronale ce transmit impulsul nervos de la celulele senzitive numai n zona retinei. Celulele ganglionare care transmit impulsurile n afara retinei prin nervul optic. Bolile ochiului Miopia: se caracterizeaza printr-un exces de refractie oculara din cauza cruia razele de lumin paralele venite de la infinit se intalnesc ntr-un focar situat naintea retinei. Miopul se caracterizeaz prin vedere foarte bun de aproape, dar nu o vedere neclar la distant. Corectarea se face cu lentile concave sau divergnte. Hipermetropia: este viciul de refractie in care razele luminoase paralele venite de la infinit se aduna intr-un focar situat in spatele retinei. Din aceasta cauza hipermetropul vede bine la distanta. Pentru a-si corecta tulburarile de vedere el utilizeaza in permanenta acomadatia atat pentru vederea la distanta cat si pentru vederea de aproape. Corectarea se face cu lentile covexe sau convergente. 20

Determinarea acuitii vizuale se face cu ajutorul optotipilor (tabelelor optometrice).Astigmatia: rezele de lumin ce traverseaz retina nu focalizeaz ntr-un singur punct, ci exist focare diferite si imaginea este neclar. Corectarea se face cu lentile cilindrice. Prezbiopia: la tineri, cristalinul este moale si flexibil si si schimb cu usurint forma pentru a se concentra. Cu timpul se petrece o intarire gradual a cristalinului, drept urmare, scade constant si abilitatea lui de a se concentra. Cataracta: reprezint opacifierea cristalinului datorit degenerrii fibrelor cristalinului. Daltonismul, denumit tiinific cecitate cromatic este o stare patologic, o tulburare a vederii cromatice, constnd n incapacitatea de a deosebi unele culori de altele (mai ales roul de verde), deoarece fie receptorul responsabil pentru culoarea verde, fie cel pentru culoarea roie nu funcioneaz deloc si astfel persoanele vad n negru sau gri. Cecitatea pentru rou se numete protanopie, iar cecitatea pentru verde deuteranopie. Aceste forme de cecitate exprim faptul c persoanele respective confund roul cu verdele i chiar cu alte culori de aceeai strlucire sau saturaie cum ar fi albastrul sau cenuiul. Pentru investigarea tulburrilor cromatice se folosesc plane pseudoizocromatice stilling, ishihara sau atlasul polack. Aceste probe sunt alctuite din plane pe care sunt prezentate prin cerculee de mrimi, culori i nuane diferite cifre, litere sau figuri. I se prezint subiectului pe rnd aceste plane i i se cere s identifice cifra, litera sau semnul imprimat. Aceste plane sunt astfel realizate nct ochiul normal le poate citi clar, n timp ce persoanele care sufer de cecitate cromatic identific cifrele, literele sau semnele cu greutate, incorect sau deloc. Daltonismul este o boal congenital cauzat de o defeciune a retinei sau a unei poriuni din nervul optic. Dei boala este motenit pe linie matern, de daltonism sufera n special brbaii. 8% dintre brbai i 0,5% dintre femei sufer de daltonism. Mai mult de 150 de ocupaii (ex. pilot de avion, giuvaergiu, cpitan de vapor, ofier de poliie, conductor de tren) nu sunt permise daltonitilor i practic n toate domeniile vieii acetia se gsesc ntr-o situaie defavorabil lor. Daltonismul poate fi corijat, folosind o lentil acoperit cu un strat specific. Acest strat a fost proiectat iniial aa nct s schimbe spectrul luminii care l traverseaz n aa fel ca acesta s strneasc un stimul asemntor celui persoanei cu vedere cromatic sntoas. La proiectarea stratului trebuia s fim ateni ca acesta s-i exercite efectul pe lungimile de und medie (roie-verde), n timp ce pe lungimile de und scurt (albastr) efectul s fie ct mai redus. Folosind lentilele de corecie, daltonitii pot s perceap i nuanele cromatice pe care anterior nu le puteau observa. n 80% din cazuri daltonismul se poate corija n totalitate.

Definitia si clasificarea si stemelor disperse Definitie Sistem de dispersie: Amestec de doua faze: dispersanta(solventul) si dispersata(solvitul). Un sistem de dispersie poate contine doua sau mai multe substante. 21

Pentru caracterizarea sistemelor disperse din punct de vedere cantitativ se folosete un parametru de stare numit concentraie. n SI (sistemul internaional de mrimi i uniti) concentraia se msoar prin concentraie molar (molaritate), Concentratia molal, Concentratia procentual, Concentratia normal. Clasificarea sistemelor de dispersie Criterii de clasificare: Dimensiunea particulelor dispersate Starea de agregare a dispersantului Faze Afinitatea dintre componente Clasificare - dimensiuni Solutii moleculare: D > 109 m-1, d < 1 nm Solutii coloidale: 107 < D < 109 m-1, 1 nm < d < 100 nm Suspensii: D < 107 m-1, d > 100 nm D = grad de dispersie; d = diametrul particulei dispersate

stare de agregare a dispersantului Gazoase Lichide Solide In toate cazurile, faza dispersata poate avea orice stare de agregare.

- faze Monofazice: Omogene (proprietati identice in toate punctele sistemului) (proprietatile difera intre diferite zone ale sistemului) Polifazice: Heterogene (exista suprafete de demarcatie intre faze) Neomogene

afinitatea dintre componente Liofile: Intre solvit si solvent exista afinitate (hidrofile) Liofobe: Fara afinitate intre solvit si solvent (hidrofobe) Solutii cu importanta biologica Solutii moleculare, Ex: Ionii dizolvati in lichidul intracelular, extracelular. 22

Solutii coloidale, Ex: Proteinele dizolvate in lichidul intracelular, extracelular, sange etc Suspensii, Ex: Elementele figurate suspendate in plasma sangvina, organitele celulare. n organism exist soluii adevrate (moleculare), coloizi i suspensii De exemplu, sngele este soluie pentru cristaloizi (Na, Cl, K), coloid (deoarece conine proteine: serumalbumine, globuline), suspensie (datorit prezenei elementelor figurate). Lichidul cefalorahidian (LCR) are substane cristaloide, deci este soluie, n concentraie sczut are i albumine, deci este coloid, are i foarte rare celule endoteliale i limfocite, fiind astfel reprezentat i componenta de suspensie. Proprietati Solutii moleculare: nu sunt retinute de filtre, nu sedimenteaz, difuzeaz usor Solutii coloidale: coaguleaz, particip la filtrare (permite separarea particulelor n suspensii) si electroforez Suspensii: sedimenteaz, particip la filtrare Solutii de gaz in lichid Solubilitatea unui gaz: definita ca volumul de gaz care se dizolva intr-un litru de lichid, la temperatura si presiune normala. Influentata de: presiune / creste cu cresterea presiunii (Legea Henry), temperatura: scade cu cresterea temperaturii. Dintre gazele atmosferice, solubilitatea maxima o are dioxidul de carbon. Similar, azotul care este un gaz inert, n mod normal depozitat n esuturile vii i n snge, va ncerca s prseasc esuturile i fluidele corpului dac acestea sunt supuse unei diferene brute de presiune, cum ar fi cazul unui scafandru care iese foarte rapid de la o adncime foarte mare. Eliminarea gazelor inerte la decompresie este mai rapid n snge dect n esuturi, prin urmare poate aprea situaia n care exist n snge bule de gaz (aa numitele embolii gazoase). Accidentele grave se datoreaz localizrii emboliilor la nivelul arterelor creierului. Asfel se explic boala de decompresie, n snge apar bule de gaz care duc la embolii gazoase. Apariia emboliilor poate fi prevenit prin decompresie lent. n cazul scafandrilor, la adncimi foarte mari, apare aa numita beie a adncurilor care se manifest cu simptome similare primelor stadii ale anesteziei generale i care este datorat creterii presiunii gazelor inerte. Heliul intr n organism i l i prsete mai rapid dect azotul, astfel c pentru scufundri de trei sau patru ore, organismul uman atinge saturaia cu He. De aceea, pentru astfel de scufundri, timpul de decompresie este mai scurt dect n cazul n care s-ar folosi amestecuri gazoase pe baz de azot (cum este cazul aerului atmosferic). De aceea, n amestecul gazos furnizat scafandrilor se folosete He. Din acest amestec este complet ndeprtat CO2 care se acumuleaz n esuturi, cu efect toxic, ducnd la acidoz (dei la suprapresiuni mici are un efect stimulator). Solutii de solid in lichid Solubilitatea creste cu cresterea temperaturii Proprietati speciale: Coligative(Care depinde numai de numrul i de natura moleculelor substanei) Rezulta in urma interactiunilor intre moleculele de solvent si solvit 23

Electrice Rezulta in urma disocierii solvitilor in particule incarcate electric Optice Modificari ale proprietatilor optice datorate solviilor

Fenomene de transport n soluii n cazul n care ntr-un sistem exist gradieni de concentraie, potenial sau presiune are loc un transport de substan orientat spre atingerea unei stri de echilibru termodinamic. Transportul de substan n cazul soluiilor se poate face prin dou moduri: prin difuzie i osmoz. Cele dou fenomene pot fi simultane. Difuzia simpl: difuzia const n transportul de substan din regiunile cu concentraie mai mare spre cele cu concentraie mai mic, realizat exclusiv prin micrile de agitaie termic.

Difuzia simpl are loc datorit gradientului de concentraie Difuzia prin membrane Membrana = pelicula subtire, cu grosimea neglijabila fata de suprafata, care separa doua medii cu proprietati fizico-chimice diferite. Clasificarea membranelor (in functie de particularitatile difuziei): Membrane permeabile: Egal permeabile (pentru toti constituentii solutiei), Inegal permeabile (permeabilitati diferite pentru constituenti) Membrane selectiv permeabile: Permeabile doar pentru anumiti constituenti Membrane semipermeabile: Permit doar trecerea solventului Membrane ireciproc permeabile: Permit doar trecerea solvitului, intr-un singur sens Osmoza Este fenomenul de difuzie a solventului dinspre soluia mai diluat nspre cea mai concentrat printr-o membran semipermeabil.

24

Presiunea osmotica: presiunea care trebuie aplicata unei solutii pentru a opri fluxul de solvent printr-o membrana semipermebila care separa compartimentul de un altul continand solvent pur. Presiunea coloid-osmotica: presiunea osmotica datorata existentei, intr-un compartiment, a unor macromolecule nedifuzibile. Unitatea de msur a presiunii osmotice este Osmolu - l reprezint cantitatea de substan, care dizolvat n solvent, se disperseaz ntr-un numr de particule osmotic active (capabile s se agite termic, dar nu s traverseze membrana) egal cu numrul lui Avogadro NA) la litru de solvent, fa de temperatura de nghe a solventului pur. Osmoza n biologie Compoziia osmolar i ionic a fluidelor biologice este aceeai. Dac o soluie urmeaza a fi injectat, ea trebuie s aib aceeai presiune osmotic ca a plasmei sanguine - soluie izotonic (izoosmotic). n caz contrar apar dou posibiliti.

25

O hematie introdus ntr-o soluie hipertonic i va micora volumul, n timp ce o hematie introdus ntr-o soluie hipotonic i va mri volumul - soluie hipertonic (hiperosmotic) soluie > plasm: apa prsete hematiile, acestea micorndu-i volumul; - soluie hipotonic (hipoosmotic) soluie < plasm: se produce hemoliz, hematiile i mresc volumul datorit influxului masiv de ap i se sparg. Izotonicitatea lichidelor biologice se face prin schimburi de ap i electrolii, la nivel tisular. Cnd introducem cantiti mari de lichid n snge trebuie s ne asigurm c soluia introdus este izotonic (soluii izotonice: serul fiziologic 9o/oo i glucoza de 5%). Fenomenele de osmoz i de ultrafiltrare asigur schimburile de ap ntre celule i mediul extracelular i, mpreun cu unele substane dizolvate, ntre compartimentul vascular i interstiial. Aspecte patologice Hipoproteinemii (scaderea concentratiei de proteine din plasma) Scade presiunea coloid-osmotica; ultrafiltrare mai usoara acumularea apei in tesuturi edeme Retentii hidrosaline (de ex, in boli renale) Creste volumul sangvin creste tensiunea arteriala si presiunea de filtrare ultrafiltrare mai usoara acumularea apei in tesuturi edeme Eliminarea renal a apei i a cataboliilor toxici Are loc n dou etape: ultrafiltrarea glomerular i reabsorbia tubular. Nefronul este format din corpusculul renal Malpighi i din tubii renali. La nivelul glomerulului are loc o ultrafiltrare sub presiunea 42 mmHg, aceast presiune fiind determinat de presiunea hidrostatic din capilare i implicit de presiunea arterial, o scdere a presiunii arteriale ducnd la diminuarea eliminrii renale. O parte din ap i unele substane necesare organismului (aminoacizi, glucoz, ioni de sodiu si clor) trec din urina primar n snge prin reabsorbia tubular. Fenomenele de 26

transport prin care are loc reabsorbia sunt difuzia i transportul activ, micorndu-se astfel foarte mult volumul de urin. Rinichiul artificial Fiind un catabolit al metabolismului proteic, ureea trebuie s aib un nivel constant n snge de 35 mg o/oo, peste acest prag apar deficiene renale grave, fatale. Creterea concentraiei de uree apare ca urmare a dezechilibrului ntre catabolismul i anabolismul sintezei proteice. n aceste cazuri, detoxifierea sngelui se face cu ajutorul rinichiului artificial.

Desfaurarea hemodializei

Sngele este filtrat prin dializ care folosete o membran din plastic, semipermeabil, care permite particulelor de dimensiuni mici, cum ar fi molecule sau ioni, s o strbat n ambele direcii, n timp ce particulele coloidale i macromoleculele sunt reinute de o parte Soluia de dializ este salin i uor hipertonic, acest lucru asigurnd o presiune osmotic mrit n compartimentul care conine sngele, determinnd apa s treac n dializor (curent endosmotic).

27

Sngele n contact cu soluia de dializ prin intermediul unei membrane semipermeabile

Pentru eliminarea complet a cristaloizilor, soluia spre care se desfoar dializa trebuie n permanen nlocuit. Acest lucru se face pentru a mpiedica atingerea unui echilibru ionic ntre cele dou compartimente, care ar duce la ncetarea fluxului. Viteza de dializ este influenat de dimensiunea porilor membranei, de temperatur, de vscozitate, de ncrctura electric a membranei.

ELEMENTE DE TERMODINAMICA BIOLOGICA

Termodinamica studiaza relatiile ntre caldura (Q) si lucru mecanic (L), n sens mai larg, este stiinta care studiaza transformarile reciproce ale diferitelor forme de energie n sistemele naturale si n cele construite de om. Termodinamica biologica se ocupa cu studiul transformarilor de energie n sistemele biologice. Sisteme termodinamice Sistem - ansamblu de componente aflate n interactiune, delimitat de mediul extern care l nconjoara. Sistem termodinamic - sistem macroscopic alcatuit dintr-un numar foarte mare de particule (atomi si molecule), aflate n interactiune energetica att ntre ele ct si cu mediul exterior. Clasificarea sistemelor termodinamice: - deschise schimba cu exteriorul att energie ct si substanta - nchise schimba cu exteriorul numai energie - izolate nu au nici un fel de schimburi cu exteriorul, de care sunt separate prin pereti adiabatici. Starea sistemului termodinamic - este reprezentata de totalitatea parametrilor sai de stare (marimi fizice masurabile) la un moment dat. Parametrii de stare sunt de doua feluri: - intensivi au n orice punct al sistemului valori definite, care nu depind de dimensiuni (presiunea, concentratia, temperatura); - extensivi depind de dimensiunile sistemului si de cantitatea de substanta existenta n sistem (volumul, masa, numarul de moli). Starea de echilibru termodinamic - este caracterizata de urmatoarele proprietati: - parametrii de stare sunt constanti n timp; 28

- dezordinea este maxima (entropia termodinamica este maxima); - schimburile de energie si substanta, att ntre componentele sistemului, ct si cu mediul nconjurator nceteaza; - producerea de entropie nceteaza. Starea stationara se caracterizeaza prin urmatoarele: - parametrii locali sunt constanti n timp; - parametrii intensivi nu sunt constanti n spatiu; - schimburile de substanta si energie ntre componentele sistemului si cu mediul extern nu nceteaza; - producerea de entropie este minima, fara a fi egala cu zero. Procese termodinamice - treceri ale sistemului termodinamic de la o stare la alta stare prin modificarea n timp a parametrilor termodinamici. Ele pot fi : - reversibile sunt procese cvasistatice; n orice moment sistemul este n echilibru termodinamic. Daca se schimba semnul parametrilor termodinamici, sistemul evolueaza de la starea finala spre starea initiala pe acelasi drum; - ireversibile sunt, n general, procese necvasistatice. Revenirea la starea initiala (daca este posibila) se face pe alt drum si pe seama unei interventii active din exterior (nu poate decurge de la sine). - ciclice starea finala si starea initiala ale sistemului sunt identice; aceste procese pot fi ireversibile

PRINCIPIUL I AL TERMODINAMICII . ntre 1842 si 1850 o serie de cercetatori (J.R. Mayer, J. Joule, H. Helmholtz) au descoperit echivalenta dintre lucru mecanic si energie si au determinat echivalentul mecanic al caloriei. Principiul I al termodinamicii sau principiul conservarii energiei, postuleaza existenta unui parametru caracteristic oricarui sistem, numit energie interna (U) a sistemului, parametru care exprima capacitatea totala a sistemului de a efectua actiuni de orice tip si are o valoare bine determinata n fiecare stare a sistemului. Conform unei alte formulari a principiului I, variatia energiei interne a unui sistem la trecerea dintr-o stare n alta (DU) este egala cu suma algebrica dintre cantitatea de caldura (Q) si toate formele de travaliu (mecanic, chimic, osmotic, electric etc) schimbate de acest sistem cu exteriorul. DU = Q + suma Li

APLICAREA PRINCIPIULUI I AL TERMODINAMICII N BIOLOGIE Sistemele biologice sunt sisteme termodinamice deschise, iar procesele biologice sunt procese termodinamice ireversibile. Organismele vii sunt sisteme a caror energie interna poate sa creasca sau sau sa scada n functie de diferite conditii (vrsta, starea fiziologica 29

etc.). Pentru a aplica corect principiul I n cazul organismelor, trebuie sa se tina seama de faptul fundamental ca ele sunt sisteme deschise care iau si degaja n exterior energie, astfel nct problema conservarii energiei se pune numai pentru sistemul format din organismul respectiv mpreuna cu mediul sau nconjurator. Bilantul energetic al organismului Aplicnd principiul I n cazul unui organism, se poate formula urmatorul bilant energetic: energia preluata din mediu = travaliul mecanic efectuat + caldura degajata + energia depozitata n rezervele organismului. Testul clinic al intensitatii metabolismului bazal, prin care se stabileste valoarea de referinta la care sa fie raportat efectul diferitilor factori care influenteaza metabolismul energetic, este un exemplu de asemenea bilant n conditii simplificate. Subiectul este n repaus (nu efectueaza lucru mecanic) si nu a mncat 12 ore (nu preia energie din mediu). n acest caz, bilantul energetic se poate scrie: caldura degajata = energia depozitata = energia utilizata

PRINCIPIUL al II-lea AL TERMODINAMICII (principiul cresterii entropiei) Principiul al II-lea al termodinamicii generalizeaza constatarea practica a imposibilitatii ca o masina termica sa transforme integral o cantitate de caldura n lucru mecanic (perpetuum mobile de speta a II-a), randamentul de transformare fiind ntotdeauna subunitar. Principiul II postuleaz: existenta unui parametru S numit entropie, caracteristic pentru fiecare stare a sistemului. Entropia este un parametru de stare care masoara gradul de dezordine a unui sistem termodinamic. Spre deosebire de sistemele izolate, studiate in termodinamica clasic, organismele vii sunt sisteme deschise caracterizndu-se prin schimburi permanente de materie i energie cu mediul ncojurtor. Astfel, ele reuesc s se opun principiului 2 al temodinamicii, adic evoluiei spontane spre o stare echilbru caracterizat prin entropie (dezordine) maxim, i printr-o distribuie uniform a parametrilor macroscopici intensivi (presiune, temperatur, poteniale chimice ale diferitelor specii de molecule, etc.). Aceast meninere a unei structuri ordonate, improbabile din punct de vedere termodinamic clasic, are loc la nivel local, molecular, prin aa-numitele procese cuplate (prin care entropia scade), n care energia furnizat prin hidroliza unor legturi macroergice este folosit pentru sinteza elementelor structurale ale materiei vii: aminoacizi, acizi nucleici, monozaharide, acizi grai, i a compuilor macromoleculari derivai: proteine, polizaharide, fosfolipide, etc. Existena unor zone de ordine n organismele vii presupune i existena unor bariere care s le delimiteze de mediul nconjurtor. Acestea sunt membranele biologice (membrana celular i membranele organitelor intracelulare). Studiul structurii i funciilor acestor membrane a cptat o amploare deosebit n ultimele decenii, constituind una din principalele ramuri ale biofizicii i biologiei moleculare, poate cea mai important.

Membrane celulare 30

Structura si functiile membranei celulare Membranele celulare sunt structuri planare cu grosimi moleculare cuprinse ntre 6 si 10 nm (1 nm = 10-9 m) care ndeplinesc cel putin doua functii dinamice esentiale: Prima functie a membranei celulare este de a mpiedica miscarea libera a particulelor ntre doua compartimente adiacente (lichidul interstitial si citoplasma), prin urmare membrana are rolul unei bariere fizice active. Lichidul interstitial si citoplasma sunt sisteme disperse avnd ca solvent apa, iar ca faze dispersate electroliti (ioni de Na, K, Cl, Ca, Mg), macromolecule (de ex. proteinele), organite intracelulare (de ex. mitocondriile) si molecule polare mici, n concentratii diferite. Lichidul interstitial si citoplasma au aceeasi osmolaritate de aproximativ 300 mOsM/l, fiind deci, lichide izotonice. Fiind semipermeabile si selective, membranele celulare ndeplinesc si o a doua functie foarte importanta si anume reglarea volumului si a compozitiei mediului intracelular. Aceasta reglare asigura mentinerea la valori constante a compozitiei si volumului intra- si extracelular, n ciuda fluctuatiilor din mediul extern. Structura membranei celulare a fost studiata prin microscopie electronica, difractie de raze X si recent, vizualizata cu ajutorul microscopiei de forta atomica.

Fig. 1 Structura membranei celulare conform modelului mozaicului fluid proteolipidic Principalii constituenti ai membranelor biologice sunt lipidele si proteinele, conform modelului mozaicului fluid proteolipidic (Fig. 1) al lui Nicholson si Singer elaborat n 1972: membrana este formata dintr-un bistrat lipidic, n care sunt inserate proteine si glicoproteine.

Lipidele Sunt molecule insolubile n apa si usor solubile n solventi organici, constituind aproximativ 50% din masa membranelor celulelor animale, avnd o densitate de aproximativ 5 x 106 lipide / 1 um2 arie de membrana. Lipidele formeaza matricea pentru fixarea proteinelor, dar ndeplinesc si alte functii. Lipidele sunt fie amfifile, adica prezinta capat polar (extremitate polara care interactioneaza puternic cu apa) si una sau mai multe catene alifatice puternic hidrofobe (formate din doua lanturi de hidrocarburi numite si cozi hidrofobe) (Fig. 2).

31

Fig. 2 Moleculele lipidice sunt amfifile Aceasta conformatie influenteaza mpachetarea si miscarea respectivei molecule lipidice n planul lateral al membranei. Capetele polare ale moleculelor amfifile au radicali fosfat si sunt fie ionice fie neutre, acestea din urma au o distributie asimetrica a sarcinii electrice determinnd orientarea n cmpul electric sau magnetic. Cele mai importante clase de lipide ntlnite n constituirea bistratul lipidic sunt: fosfolipidele, glicolipidele si colesterolul. Fosfolipidele sunt derivati ai glicerolului (acool simplu) sau ai sfingosinei (alcool complex). Exista fosfolipide care contin colina: fosfatidilcolina, sfingomielina sau care nu contin colina: fosfaditiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol etc. Una dintre cele doua cozi hidrofobe ale fosfolipidelor se prezinta sub forma unui lant drept de acizi grasi saturati, iar cealalta prezinta o mica bucla datorita unei legaturi duble cis nesaturate. Fosfolipidele sunt asimetric distribuite n bistrat, astfel, pe partea interstitiala a membranei se afla fosfaditilcolina si sfingomielina, iar pe partea citoplasmatica a membranei se afla fosfaditiletanolamina si fosfaditilserina care are si sarcina electrica negativa. Glicolipidele contin la capatul polar molecule de zahar (glucoza sau galactoza), ele fiind ntlnite exclusiv pe suprafata extracelulara a membranelor lipidice. Colesterolul se orienteaza n biomembrane cu gruparile hidroxil din structura inelara steroida n vecinatatea capetelor polare ale fosfolipidelor interactionnd si imobiliznd partial gruparile hidrocarbonate din cozile fosfolipidelor, avnd ca efect scaderea fluiditatii biomembranelor.

Proteinele membranare Proteinele sunt macromolecule care constituie elemente esentiale pentru toate procesele biologice. Concentratia proteinelor membranare variaza ntre 20% (mielina, de exemplu) si 75% (n membrana mitocondriilor) sau chiar 80% (n membrana microorganismului Halobacterium halobium, continnd bacteriorodospina care este un pigment fotosensibil).

32

Proteinele reprezinta elementul activ al membranei, fiind structuri organizate de baza n desfasurarea urmatoarelor procese biologice: - fenomene de transport (canalele si transportorii care contribuie la transportul ionilor si al moleculelor mici sunt proteinele specifice) - cataliza enzimatica (enzimele, n majoritatea cazurilor, sunt structuri proteice, care maresc vitezele de reactie ale proceselor desfasurate in vivo de ordinul milioanelor) - miscarea coordonata (de exemplu, actina si miozina sunt structuri proteice specifice responsabile pentru existenta miscarii coordonate) - suport mecanic (colagenul este o proteina esentiala n structura pielii, a tesuturilor osoase si a tendoanelor) - imunoprotectie (anticorpii sunt de asemenea proteine extrem de specializate cu rol n recunoasterea organismelor straine) Varietatea lor este mult mai mare dect a lipidelor fiind determinata de diversitatea functiilor lor. n functie de modul n care se insereaza n membrana, proteinele (Fig. 3) sunt: a) proteine intrinseci (integrale) care au urmatoarele caracteristici: - traverseaza membrana celulara o data (glicoforina) sau de mai multe ori (exemplu: proteinele transportoare, pompe ionice constituite din mai multe alfa helixuri)

Fig.3 Tipuri de proteine membranare - pot fi extrase prin tratare cu detergenti - sunt implicate n procesele de transport b) proteine extrinseci (periferice) - patrund n membrana pe o anumita distanta, pe una din cele doua fete, sau sunt atasate la suprafata membranei (receptorii membranari, proteine cu rol imunologic etc.) - pot fi ndepartate prin spalare ori prin tratare cu solutii cu tarie ionica scazuta - sunt implicate n transmiterea informatiei n interiorul celulei Functiile membranei celulare n primul rnd, membrana asigura mentinerea caracteristicilor fizico-chimice diferite ale celor doua compartimente pe care le separa. Membrana reprezinta o zona de comunicare controlata ntre cele doua compartimente, n ambele sensuri prin: 1. Transport de substanta prin membrana intacta (molecule, ioni si apa) sau prin ruperea membranei urmata de refacerea acesteia datorita plasticitatii ei exceptionale. 33

2. Traducere si transfer de informatie adusa de diferiti stimuli (mecanici, electrici, electromagnetici, chimici, termici etc.) prin receptorii specifici pe care membrana i contine. 3. Implicare n functiile celulare datorita enzimelor si complexelor enzimatice pe care le contine: replicarea ADN, biosinteza proteinelor, bioenergetica celulara, raspuns hormonal. Transportul de substanta prin membrana se face prin macrotransport daca substanta transportata este n stare solida sau lichida (formele de macrotransport fiind fagocitoza si pinocitoza) si prin microtransport care poate fi pasiv sau activ. Macrotransportul n procesul de fagocitoza celula nglobeaza particule de substanta solida, nvaluindu-le anterior cu niste prelungiri citoplasmatice numite pseudopode, prelungiri care fuzioneaza apoi n spatele acestor particule. La protozoare (la amoebe de exemplu) fagocitoza este procesul prin care celula se hraneste. La celulele mai dezvoltate, acest mecanism serveste altor scopuri si anume: macrofagele si leucocitele nghit fragmente celulare si intrusi. Prin pinocitoza, lichidele, dispersate n picaturi fine, si macromoleculele sunt introduse n celula sau scoase din aceasta, dupa ce n prealabil au fost nvelite ntr-un bistrat lipidic devenind vezicule. Veziculele fuzioneaza cu membrane celulara si pot fi transportate dintro parte ntr-alta a membranei. Expulzarea continutului lichid al veziculei are loc ca efect al fortelor de tensiune superficiala Formele pinocitozei sunt: - endocitoza - patrunderea in interiorul celulei a veziculei, urmata de expulzarea continutului acesteia. - transcitoza - vezicula traverseaza celula, fara a se sparge, are loc cu precadere n celulele endoteliului capilar, facilitnd trecerea proteinelor plasmatice din snge catre spatiul extravascular.

Fig. 4 Transcitoza - exocitoza - expulzarea de catre celula a unei vezicule care, de exemplu, contine substante pe care celula este incapabila de a le utiliza. Fenomenele de exocitoza sunt frecvente n terminatiile nervoase si n celulele secretorii. Microtransportul Transportul pasiv 34

Prin transport pasiv moleculele si ionii se deplaseaza n sensul gradientului electrochimic sau de presiune fara consum de energie metabolica, sistemul avnd tendinta de a ajunge la echilibru termodinamic. Gradientul electrochimic este o forta termodinamica producatoare de flux si reprezinta rezultatul unor procese desfasurate cu consum energetic. Exista trei tipuri de transport pasiv: difuzia simpla, difuzia facilitata si difuzia prin canale si pori. Difuzia simpla se produce prin dizolvarea speciei moleculare transportate n membrana. Numai moleculele mici nepolare, moleculele hidrofobe si gazele pot traversa membrana prin difuzie simpla. Difuzia facilitata Moleculele hidrofile mari, cum sunt multi factori nutritivi necesari celulei, precum si unii ioni traverseaza membrana prin difuzie facilitata, utiliznd molecule transportoare existente n membrana sau introduse artificial n aceasta. Asemenea molecule transportoare au o anumita specificitate, recunoscnd specia moleculara sau ionica pe care o transporta. Exista transportori pentru glucoza, colina, pentru diferiti ioni (ionofori).

Fig. 5 Exemplu de difuzie facilitata: difuzia facilitata a gucozei (dupa Baldwin & Lienhard, Trends Biochem. Sci. 6:210, 1981) Transportorii sunt proteine att de specializate nct pot deosebi speciile levogire de cele dextrogire. Fiind vorba despre o forma de transport pasiv, sensul de actiune al transportorilor n difuzia facilitata este sensul gradientului electrochimic. Molecula transportoare, cu rol enzimatic, se poate gasi n doua stari conformationale. n Fig. 5 este figurat transportul facilitat al moleculei de glucoza. Se poate observa cum molecula de glucoza, numita substrat n aecasta situatie, se leaga pe una din fetele membranei ntr-un anumit loc de legare numit situs. Se produce n urma legarii o modificare conformationala si situsul de legare este expus partii opuse, simultan cu scaderea afinitatii transportorului pentru glucoza si eliberarea acestei molecule de partea cealalta a membranei. Prin eliberare se revine la conformatia initiala si ciclul se repeta. Difuzia prin canale ionice 35

Substantele ionizate nefiind liposolubile, difuzia lor prin membrana se poate face prin structuri proteice specializate care strabat membrana pe toata grosimea ei si creeaza cai de trecere pentru ioni, formnd canale sau pori. Notiunea de por este folosita pentru structurile neselective, facnd o discriminare doar pe baza diametrului particulei. Cu precadere, prin pori trece apa, caz n care acestia se numesc porine. Ionii au n jurul lor o zona de hidratare, din care cauza au diametrul prea mare pentru pori. Canalele ionice sunt proteine specializate care strabat membrana lipidica celulara, permitnd astfel trecerea substantelor neliposolubile. Prin canale ionii pot sa treaca n ambele sensuri, dar transportul are loc n sensul gradientului electrochimic. Spre deosebire de pori, canalele ionice sunt structuri selective. Eficacitatea transportului prin canale este foarte mare, printr-un singur canal putnd trece 106-108 ioni/s. n Fig. 6 este reprezentata schematic structura unui canal ionic. Filtrul recunoaste un anumit tip de ion si l lasa sa treaca n vestibulul. Senzorul primeste informatia din exterior, fie din partea unei molecule receptoare, fie direct de la un semnal electric (acesta este cazul canalului din Fig. 6), si, daca informatia este corespunzatoare, comanda deschiderea portii permitnd ionului sa intre sau sa iasa din celula, mpins de potentialul sau electro-chimic. Canalul poate fi nchis sau deschis printr-o modificare conformationala a proteinei canal comandata printr-un mecanism specific electric, chimic sau prin alte mecanisme. Fiecare tip de canal poate fi blocat specific de anumite toxine: tetrodotoxina inhiba functionarea canalului de Na+ din membrana axonala, tetraetilamoniul blocheaza canalul de K+). Blocantii specifici permit studierea proprietatilor canalelor sau identificarea proteinelor canal.

Fig. 6 Reprezentarea schematica a canalului membranar Exista substante care formeaza n jurul ionului o structura hidrofoba, permitndu-i acestuia difuzia prin bistrat. O astfel de substanta care, inclusa n membrana celulara, permite translocarea ionilor de pe o fata pe cealalta se numeste ionofor. Ionoforii pot forma canale prin membrana sau pot actiona ca niste molecule transportoare. De exemplu, valinomicina (Fig. 7) este un ionofor care poate ncorpora ionii de K+, fortndu-i sa paraseasca prin membrana celula bacteriana, provocnd moartea acesteia, actionnd astfel ca un antibiotic.

36

Fig. 7 Valinomicina este un ionofor care face ca ionii de K+ sa iasa din celula bacteriana, provocndu-i moartea Din studiul comparativ al transportului pasiv prin difuzie facilitata si al transportului prin canale rezulta urmatoarele: - moleculele transportoare au o specificitate mai mare pentru moleculele sau ionii transportati dect canalele, moleculele transportoare putnd distinge ntre diferitii izomeri ai unei molecule - moleculele transportoare au o viteza mult mai mica de lucru dect a canalelor ionice, permitnd trecerea doar a 1000 de ioni pe secunda, acest lucru fiind compensat de numarul lor foarte mare - transportorii pot participa si la transportul activ - canalele au o foarte mare viteza de lucru, pna la 10 milioane de ioni pe secunda motiv pentru care canalele sunt caile preferate pentru transportul ionilor atunci cnd sunt necesare variatii bruste ale compozitiei si concentratiei ionice (n excitatia celulara, de exemplu).

Fig. 8 Comportamentul diferitelor tipuri de molecule n apropierea membranei lipidice n concluzie, membrana celulara poate fi traversata prin transport pasiv de moleculele mici hidrofobe prin difuzie simpla, de ioni prin canale si difuzie facilitata si de moleculele hidrofile mari prin difuzie facilitata (Fig. 8).

37

Fig. 9 Difuzia apei printr-un por Transportul apei care intervine esential n toate procesele biologice se realizeaza att prin difuzie simpla si osmoza ct si prin canale - pori aposi (Fig. 9), permeabilitatea membranei pentru apa fiind foarte mare. Mecanismele de transport al apei sunt foarte complexe si incomplet elucidate, un rol foarte important avndu-l diferenta de presiune osmotica. Transportul activ Este o forma de transport care necesita consum de energie metabolica (a unei reactii chimice, de exemplu). Se realizeaza n sensul invers gradientului de potential electrochimic. Se disting doua forme de transport activ: transportul activ primar si transportul activ secundar. Transportul activ primar se realizeaza folosind proteine integrale numite pompe ionice membranare. In urma transportului activ se stabileste gradientul de concentratie n sensul caruia se desfasoara transportul pasiv. Pompa leaga ionul pe o parte a membranei ntr-o anumita zona activa numita situs de legare si, datorita unor modificari conformationale care intervin n urma legarii ionului, l transfera pe cealalta parte unde l elibereaza. Pompa foloseste, de obicei, hidroliza ATP n ADP si P. Exemplul cel mai cunoscut este ATP-aza Na+/K+ care transloca 3 ioni de Na + din interiorul celulei, unde concentratia acestuia este mica, spre mediul extracelular si 2 ioni de K+ din exteriorul celulei n interiorul acesteia (Fig. 10).

Fig. 10 Pompa Na/K Deoarece rezultatul unui ciclu este un transfer net de sarcina pozitiva n exteriorul celulei, spunem ca pompa este electrogenica. De asemenea, pompa de Na+/K+ asigura prin functionarea ei osmolaritatea egala pe ambele fete ale membranei. 38

Exista si alte pompe n membrana celulara, cum ar fi: - pompa de H+, K+ din mucoasa gastrica (din membrana plasmatica a celulelor parietale) (Fig. 11), tot o ATP-aza a carei structura este asemanatoare cu cea a Na-K-ATP-azei.

Fig. 11 ATP-aza H+/K+ din mucoasa gastrica - pompa de Ca++ din reticulul sarcoplasmic si din membrana plasmatica Transportul activ secundar Prin transport activ secundar speciile transportate patrund ntr-un compartiment (extracelular sau intracelular) mpotriva gradientului lor electrochimic, asociindu-se cu molecule care se deplaseaza n sensul gradientului de concentratie. Specia transportata ct si molecula care efectueaza transport pasiv se leaga de aceeasi molecula transportoare. Transportul activ secundar utilizeaza transportorii ntlniti la difuzia facilitata, acestia putnd lega substratele transportate n aceeasi stare conformationala sau n stari conformationale diferite (Fig. 12). Daca ambele specii moleculare transportate se leaga de aceeasi parte a proteinei, transportul poarta denumirea de simport sau co-transport, iar transportorul si poate modifica starea conformationala doar dupa ce ambele substrate au ajuns n situsurile de legare. Cazul n care speciile transportate se leaga pe cele doua parti ale transportorului, care se va afla astfel n stari conformationale diferite, se numeste antiport sau contra-transport.

39

Fig. 12 Comparatie ntre formele de transport activ: primar si secundar ntlnim simport la patrunderea glucozei n celulele mucoasei intestinale; ea se asociaza cu Na+ care intra pasiv. Ionii de Na+ sunt eliminati activ prin transport primar, prin ATP-aza de Na+/K+, iar glucoza ramne. Si n acest caz, avem de-a face cu un transport electrogenic deoarece rezultatul net consta n transportul unei sarcini pozitive dintr-o parte a membranei n cealalta.

Fig. 13 Simportul glucoza Na+ din celulele mucoasei intestinale Un exemplu de antiport este cel de 3Na+/Ca2+ (Fig. 14), de la nivelul muschiului cardiac, care asigura o concentratie scazuta a ionilor de calciu n interiorul celulei. Energia pe care o foloseste antiportul este furnizata de transportul activ al ionilor de sodiu din mediul extracelular catre interiorul celulei.

40

Fig. 14 Antiportul de 3Na+/Ca2+ mentine scazuta concentratia ionilor de calciu n interiorul celulelor

ELEMENTE DE ACUSTIC

ELEMENTE DE ACUSTIC

1. Producerea si propagarea sunetelor Vibratiile corpurilor materiale se propag prin aer (si, in general, prin orice alt gaz) si ajungnd la ureche produc senzatia auditiv, pe care o numim sunet. Trebuie s mentionam ns c nu toate oscilatiile receptionate de ureche sunt percepute auditiv. Obiectul acusticii l constituie studiul producerii si propagarii sunetelor, incluznd aici nu numai vibratiile auditive, ci si pe cele care nu produc senzatie auditiva, cum ar fi ultrasunetele. Vibratiile produse ntr-un punct al unui mediu se propag n acel mediu din aproape n aproape sub form de unde. n aer (ca si in orice al gaz) sau n lichide avem de-a face cu unde longitudinale. Undele sonore fiind oscilatii ale mediului, produse de vibratiile unor corpuri materiale, vor avea proprietatile undelor elastice. n functie de viteza sursei n raport cu viteza de propagare a sunetului avem trei situatii: a) Viteza sursei sonore (u) mai mica decat viteza (v) a sunetului b) Viteza sursei sonore (u) este egala cu viteza (v) a sunetului c) Viteza sursei sonore (u) mai mare decat viteza (v) a sunetului Corpurile care se misca cu o vitez mai mare dect cea a sunetului (supersonice) produc, prin comprimarea aerului n directia de naintare, o und care nu are caracter periodic. O astfel de unda se numeste unda de soc sau unda balistica. Ele provoaca 41

senzatia unui soc puternic. Aceste unde apar de exemplu, n cazul proiectilelor sau al avioanelor cu reactie. 2. Calitatile sunetului Sunetele pot fi caracterizate prin trei calitati principale: inaltimea, intenstitatea si timbru. a) Inaltimea sunetului este proprietatea sa de a fi mai profound (grav) sau mai acut (ascutit, subtire). Experimental s-a constatat ca inaltimea sunetului depinde de frecventa oscilatiilor sonore. Astfel, urechea apreciaza doua sunete cu aceeasi inaltime (sunt la unison) daca au aceeasi frecventa, iar n cazul n care au frecvente diferite, este mai nalt (acut) cel care are frecventa mai mare. Din aceasta cauza, naltimea sunetului se exprima numeric prin frecventa undei sonore. b) Intensitatea sau taria sunetului ntr-un anumit punct din spatiu este determinat de cantitatea de energie pe care o transport unda sonor n unitatea de timp prin unitatea de suprafata asezat n acel punct, perpendicular pe directia de propagare. c) Timbrul. ntre sunetele de aceeasi intensitate si naltime, emise de instrumente diferite exist o deosebire calitativ pe care o numim timbrul sunetului. Un corp material emite, n afara sunetului fundamental si o serie de sunete de frecvente superioare nsa de intensitati mult mai mici dect a celui fundamental. Acestea depind de lungimea tubului sau corzii vocale. Aceeasi pies nu produce aceeasi senzatie auditiv si impresie asupra psihicului dac este redat de voci umane sau de instrumente diferite. Experienta arat ca timbrul undei sonore depinde de numrul, naltimea si intensitatea sunetelor superioare, dar nu depinde de diferenta de faza dintre aceste vibratii (mai exact). Modurile de vibratie proprii ale corzilor vocale, care au lungimi diferite la oameni, cu frecventele armonice caracteristice, deosebesc vocile prin timbrul specific. Sunetele vocale sunt produse de vibratia corzilor vocale sub actiunea unui flux de aer. Daca deschizi gura si produci un sunet, fr s pui n miscare alti muschi, il vei auzi nearticulat. Cnd vorbesti, intr n actiune cavitatea bucal, muschii gtului, limba, buzele, faringele, care transform sunetele n cuvinte. Sunetele muzicale sunt emise prin modificarea distantei si tensiunii n corzile vocale sub actiunea muschilor gatului.

3. Perceperea sunetelor Perceperea sunetelor de catre om se realizeaza prin intermediul urechii. Vibratiile auditive sunt transmise prin intermediul diferitelor parti ale urechii, fcnd s vibreze asa numitele fibre ale lui Corty. Sub actiunea unui sunet de inaltime (frecventa data), vibreaza anumite fibre stimuleaz terminatiile corespunzatoare ale nervului auditiv, care la randul su transmite informatia la creier. Nervii auditivi transforma energia vibratiilor produse in ureche de undele sonore in mici impulsuri nervoase (biocurenti) care produc in creier o senzatie auditiva(care depinde de varsta si de starea receptorului auditiv) Frecventa sunetelor audibile este cuprinsa intre aproximativ 16 Hz si 20000 Hz. Aceste limite variaza insa de la o perosoana la alta si in general cu varsta. Vibratiile de frecventa mai mica decat 16 Hz se numesc infrasunete, iar cele peste 20000 Hz se numesc ultrasunete. Se constata deasemenea ca si intensitatea sunetelor este cuprins ntre anumite limite si anume, aproximativ intre 410-12 W/m2 si 2102 W/m2. Intensitatea minima a sunetului care determina senzatia minima se numeste prag de audibilitate. Dac intensitatea sunetului creste foarte mult, n ureche apare o senzatie de presiune si apoi de 42

durere. Intensitatea maxima peste care apare aceasta senzatie se numeste prag tactil sau pragul senzatiei de durere. Limitele de intensitate depind de frecventa sunetului. Astfel, se constata ce pentru frecvente cuprinse intre circa 1000 Hz si 3000 Hz urechea este cea mai sensibila pragul de auditibilitate este cel mai jos, atingand valori de ordinul 10-12 W/m2. Pentru frecvente mai joase sau mai inalte, urechea este mai putin sensibila, pragul de audibilitate fiind mai ridicat. Intensitatea senzatiei auditive (intensitatea subiectiva a sunetului) nu este proportionala cu intensitatea sunetului fizic definita mai sus. In general pentru un sunet de o frecventa data, senzatia auditiva creste rapid cu cresterea intensitatii si apoi, cand ne apropiem de pragul senzatiei de durere, intensitatea trebuie sa creasca foarte mult pentru ca urechea sa perceapa o diferenta, deci intensitatea subiectiva a sunetului nu poate fi masurata cantitativ exact. Pentru a percepe o vibratie ca sunet, in afara conditiilor de frecventa si intensitate mai exista si o conditie de durata. Astfel, pentru ca un om obisnuit s perceap bine naltimea unui sunet, trebuie ca urechea sa s primeasc unde sonore cel putin timp aproximativ o sutime de secunda, adica cel putin 5 vibratii pentru un sunet de 500 Hz, 10 vibratii pentru 1000 Hz etc. Totusi, dupa mult exercitiu, aceasta limita coboara sensibil ajungand, de exemplu, la 2 vibratii pentru a percepe destul de corect inaltimea unui sunet intre 40 Hz si 3000 Hz.

Sursa sunetului Pragul audibilitatii (liniste absoluta) Freamtul frunzelor Soapte Pasi, ruperea hartiei Vorbirea Muzica tare la radio Nituirea Motor avion la 3 m departare

Nivelul (decibeli) 0 10 20 40 50 76 80 100 130

Intensitatea sunetului 10-12 10-11 10-10 10-8 10-7 - 10-5 10-4 10-2 10

Din punct de vedere al senzatiei auditive pe care o produc sunetele pot fi impartite in 3 clase: sunete musicale (simple sau compuse); zgomote si pocnete. Se arata experimental ca sunetel musicale sunt produse de miscari periodice, zgomotele de miscari neregulate, iar pocnetul este rezultatul lovirii urechii de o variatie brusca si scurta a presiunii aerulul. Relatia dintre 2 sunete produse succesiv sau simultan este caracterizata prin raportul dintre frecventele celor 2 sunete (2/1) numit interval, iar daca reprezinta raportul dintre anumite numere intregi, avem un interval muzical. Doua sau mai multe sunete produse simultan, separate prin intervale muzicale, formeaz un acord.

43

O alta notiune importanta este aceea de scara muzicala, care desemneaz o secvent de sunete separate prin intervale muzicale. Aceste secvente se reproduc prin serii de cate sapte sunete, numite game. Patologia acustic: Hipoacuzia Definitie: Hipoacuzia reprezinta diminuarea acuitatii auditive (cu cel mult 20 decibeli). Atunci cand acuitatea auditiva este diminuata foarte mult sau dispare complet, vorbim de surditate. Gradul pierderii auzului este stabilit cu ajutorul audiometriei tonale. In functie de acesta, hipoacuzia este clasificata in patru categorii: usoara, moderata, severa sau profunda. Diagnostic: Diagnosticul hipoacuziei se bazeaza pe un examen al urechii, completat de o serie de explorari ale functiei auditive, pentru a evalua gradul pierderii auzului (examen acustic cantitativ). Primul pas in stabilirea diagnosticului il reprezinta examinarea urechii. Cu ajutorul unui otoscop (instrument pentru vizualizarea conductului auditiv si a timpanului). Urmatoarele teste sunt efectuate pentru a determina cauza hipoacuziei: Audiometria - este un procedeu de investigare a functiei auditive, ce determina pragul minim auditiv pentru diferite frecvente, la ambele urechi. Rezultatele sunt apoi comparate cu ceea ce este considerat auz normal. Testele de discriminare sunt efectuate pentru a evalua capacitatea pacientului de a sesiza deosebirile dintre cuvintele similare. Pacientul trebuie sa distinga intre cuvinte similare monosilabice. Timpanometria examen care permite punerea in evidenta a modului in care timpanul reactioneaza la modificarea presiunii in conductul auditiv. Rezultatele anormale ale timpanometriei indica o hipoacuzie. Examenul nu necesita participarea activa a pacientului si este utilizat in mod obisnuit la copii. Potentialele evocate auditive de trunchi cerebral (PEA) test ce masoara impulsurile nervoase din trunchiul cerebral. Rezultatele sunt anormale la pacientii cu hipoacuzie neurosenzoriala sau cu tumori cerebrale. Tratament: Tratamentul hipoacuziei depinde de cauza sa. Hipoacuzia antrenata de o obstructie a conductului auditiv (de exemplu, datorita unui dop de cerumen) se trateaza cu ajutorul unor picaturi ce dizolva cerumenul. In cazul unei efuziuni lichidiene in urechea medie, este necesara o timpanostomie inserarea unui tub in timpan pentru a drena secretiile. Unele persoane necesita o adenoidectomie extirparea vegetatiilor adenoide hipertrofiate pentru a permite deschiderea trompei lui Eustachio. Hipoacuzia cauzata de boli autoimune se trateaza cu corticosteroizi (prednison). La pacientii cu otospongioza, functia auditiva poate fi restabilita cu ajutorul unei interventii 44

chirurgicale stapedectomia si inlocuirea scaritei printr-o proteza. Tumorile craniene antreneaza o hipoacuzie, iar in unele cazuri, pot fi indepartate pentru restabilirea auzului. In cazurile in care cauza hipoacuziei nu poate fi eliminata, tratamentul consta in compensarea pierderii functiei auditive. Majoritatea pacientilor cu hipoacuzie moderata sau severa utilizeaza proteze auditive. La pacientii cu hipoacuzie profunda solutia este implantul cohlear. Protezele auditive: Rolul protezelor auditive este acela de a amplifica sunetele si nu de a restaura functia auditiva alterata. Eficacitatea lor depinde de doi factori importanti: natura si gradul pierderii auzului. Tipurile de proteze auditive: Proteza auditiva retroauriculara (BTE) asa cum indica numele sau, acest tip de proteza este amplasat in spatele pavilionului urechii. Contine un microfon, un amplificator si un receptor. Corpul protezei auditive este instalat in spatele urechii, fiind ancorat cu ajutorul unei piese numite oliva. Aceasta ghideaza sunetul si este realizata dupa mulajul urechii. Proteza auditiva intraauriculara Conca (ITE) acest tip de proteza se instaleaza direct in conca (depresiunea centrala a pavilionului urechii), prelungindu-se in conductul auditiv extern. Toate partile protezei sunt plasate intr-un tub adaptat dimensiunilor urechii. Proteza auditiva intraauriculara Canal (ITC) functioneaza in acelasi mod ca si tipul precedent de proteza, dar dimensiunile sale reduse o fac mai putin vizibila. Proteza auditiva intraauriculara Complet in canal (CIC) acest tip de proteza este utilizat pentru hipoacuzia usoara spre moderata. Datorita dimensiunilor sale, proteza este aproape invizibila. Functionarea sa este similara celorlalte tipuri de proteze auditive intraauriculare. Implantul cohlear: Implantul cohlear este un dispozitiv medical electronic, utilizat pentru pacientii cu hipoacuzie severa sau profunda, in cazul carora protezele auditive nu sunt eficiente. Dispozitivul este constituit dintr-o parte externa, amplasata retroauricular si din electrozi plasati pe cale chirurgicala in interiorul cohleei (in urechea interna). Implantul cohlear transmite semnale electrice direct nervului auditiv, cu ajutorul electrozilor implantati in cohlee. Din acest punct de vedere, implantul este foarte diferit de protezele auditive, al caror scop este de a amplifica sunetele, astfel incat sa poata fi percepute de urechea afectata. Implanturile cohleare stimuleaza direct nervul auditiv. Sunetele generate sunt diferite de cele normale si necesita o perioda de timp de adaptare. Totusi, implanturile fac posibila perceperea sunetelor ambientale si a vorbirii. In plus, pacientii pot invata sa isi moduleze vocea astfel incat sa fie intelesi, pentru a facilita conversatiile. Utilizarea unui implant cohlear este mai eficienta la persoanele in cazul carora pierderea auzului este recenta. Prevenirea hipoacuziei: Pierderea auzului legata de inaintarea in varsta nu poate fi prevenita. Totusi, unele masuri pot fi luate pentru a preveni hipoacuzia cauzata de traumatismele sonore si constau indeosebi in evitarea expunerii la zgomotele puternice.

45

Pentru expunerea profesionala la zgomote (santiere de constructii, utilizarea de materii explozive sau arme de foc) se recomanda utilizarea de casti fonoprotectoare. Vaccinarea copiilor este de asemenea importanta, deoarece reduce riscul de boli infectioase ce pot antrena pierderea permanenta a functiei auditive sau surditatea. Anumite medicamente trebuie evitate pentru a preveni leziunile nervului auditiv (cele cu ototoxicitate ridicata in special aminoglicozidele). Daca evitarea acestor medicamente nu este posibila, dozele de administrare a medicamentului trebuie strict supravegheate pe toata durata tratamentului. Riscul de ototoxicitate este mai mare in cazul administrarii de doze ridicate, sau in tratamentele prelungite. Surditatea Definitie: Prin surditate se intelege scaderea usoara sau grava, unilaterala sau bilaterala a acuitatii auditive mergand pana la cofoza - adica abolirea completa a auzului. Surditatile pot fi tranzitorii sau definitive, usoare, medii sau grave, unilaterale sau bilaterale, de transmisie (cauza este localizata la nivelul urechii externe sau medii) sau de perceptie (cauza este localizata la nivelul urechii interne si/sau la nivelul sistemului nervos periferic sau central surditate central). Surditatea de transmisie este rezultatul unor obstacole situate n calea sunetului n trecerea de al exterior spre urechea intern. Surditatea de perceptive este cauzat de leziuni ale urechii interne, afectiuni ale nervului auditiv VIII sau a lezrii cortexului auditiv. Surditatea de tip central ia nastere din lezarea nervului auditiv datorit unor trauma sau tumori ale nervului sau tumori care comprim anumite zone din cortex. BIBLIOGRAFIE Compendiu de fizica, Editura Stiintifica si Enciclopedica, pg. 204 211 Anghelide R.,Sbenghe-Tetu Liliana - Aspecte de patologie oto-laringologic , Ed. Medical, Bucureti , 1986 Cotulbea Stan - Patologie O.R.L. , Lito U.M.F. Timioara , 1992

Manualul Merck de Diagnostic si Tratament, Ediia XVII-a

RADIOTERAPIA

Radioterapia este terapeutic prin radiaii (X, gamma, ultraviolete, ultrascurte, infraroii) att electromagnetice ct i corpusculare. 1. Aspecte de terapie cu radiaii X dup profunzime i scop

46

a. Superficiale, moi sau Bucky, mai ales n scop de epilaie cnd exist ciuperci pe piele proas, a capului. Tensiunea este de 10 KV la 10 mA; ptrund mai adnc dect razele ultraviolete (U.V.) i rmn n piele, profunzimea pn la 3 mm. b. De contact sau tip Chaoul, cu 50-60 KV, recomandate n tumori cutanate cu profunzime pn la 2 cm. c. d. e. Semifprofunde: 80-120 KV, penetrarea fiind de 3 cm; Profunde 120 - 250 KV, pn la 7 cm; Supravoltaj i megavoltaj chiar pn la 1000 KV, profunzime peste 7-10 cm.

1.2 Razele gamma: se ntrebuineaz sub form de cristale de clorur sau sulfat, avnd perioada de njumtire aproximativ 1540 de ani. Se aplic ace platinate n interstiii iar intracavitar dispozitive fr vrf, n vagin, uter, anus, sinusuri i pentru suprafee ca mulaje. 1.3 Izotopi radioactivi artificiali: a. lod elibereaz gamma cu tropism pentru glanda tiroid (se recomand n hiperfuncii tiroidiene i tumori maligne); perioada de njumtire de 8 zile; b. Au, se administreaz n tumorile esutului reticulo-endotelial, pleurezii, ascite canceroase (perioada de njumtire aproximativ 3 zile); c.Cobalt, cu perioada de njumtire 5,3 ani; ca ace n interstiii tumorale (cancere de limb, buze), ca aplicatoare n cancere de col uterin, ca bile n faringe, caviti nazale, sinusuri. Sunt i aparate cu pastil de cobalt (sau "bomb") prin care se face telecobaltoterapie. Izotopii radioactivi se mai clasific n surse nchise, printre care: 137Cesiu (col de uter, vezic urinar, esofag, trahee); 192 Iridiu (tumori cap i gt, inclusiv esofag la cancerele cruia s-a dovedit de mare utilitate Cisplatina, introdus prin endoscoape).

Dei multe dintre procedeele precedente s-au dovedit utile, unele dintre aparatele enumerate, pentru terapia superficial de contact semiprofund i profund nu se mai confecioneaz i astfel sunt la mod acceleratoarele liniare de particule a cror "putere" se poate regla pn la 100 MeV (mega-electroni-voli) Radiaiile electromagnetice sau ondulatoare, ionizante, produc n jurul lor un cmp electric i unul magnetic, i se compun din raze X sau Rontgen (de aceiai natur ca i lumina dar de frecven mult mai mare, se produc n tuburi vidate tip Hittorf, Crookes, Coolidge, Lenard, au marea proprietate de a forma luminiscen cnd ajung la srurile unui ecran de tugstat, de cadmiu, platinocianur de bariu, sulfura mixt de Zinc i cadmiu, impresioneaz bromura de argint de la filmul radiologie, s-au folosit n rontgendiagnosticul clasic, dar astzi cu ajutorul ntritoarelor de imagine i a lanurilor TV pe baz de Seletiniu i tuburi electronice, claritatea i intensitatea acesteia crete de aproximativ 3000-6000); aparatele pentru tratament cu raze X, se numesc de roentgenterapie, dar ntrebuinnduse i celelalte, numite gamma, denumirea corect este radioterapie ns ulterior au aprut acceleratoarele lineare de particule asupra creia vom insista: unele dintre caracteristicile reaciilor nucleare depind de energia particulelor proiectil. 47

Pentru a spori aceast energie s-a pus problema accelerrii respectivelor particule, lucru posibil la cele ncrcate electric, care pot fi accelerate n cmpul electric i magnetic, dac au timp de via cel puin egal cu durata accelerrii. Se supun de regul electronii, protonii, alfa, beta, gamma de la Heliu, ali ioni ai diferitelor elemente, inclusiv cele grele (Uraniu, Plutoniu). Instalaiile n care se realizeaz o astfel de accelerare se numete acceleratoare de particule.

2. Radiaiile corpusculare

Radiaiile corpusculare sunt fascicole formate din particule atomice animate de o mare vitez i care, cu excepia razelor neutronice, poart sarcini electrice. Dintre cele cunoscute, enumerm: razele catodice (formate din electroni), au sarcin electric negativ; razele beta (formate din electroni), au sarcin electric negativ; razele protonice (formate din protoni), sarcin electric pozitiv; razele alfa (formate din helioni), cu dou sarcini negative; razele neutronice (formate din neutroni), fr sarcin electric; razele cosmice (formate din electroni i pozitroni), cu sarcini pozitive i negative, n constituia razelor cosmice exist i alte componente. Radiaiile alfa i beta sunt emise de corpuri radioactive naturale i de izotopii radioactivi naturali i artificiali. Din punct de vedere medical pentru radiodiagnostic, intereseaz mai ales razele corpusculare electronice, deoarece ele sunt la origine producerii razelor X (Rontgen), dar care devin astfel electromagnetice cunoscute i sub denumirea de radiaiuni ondulante. Energia unui asemenea fascicol depinde de masa i viteza particulei, ntre energia cinetic, mas i vitez exist o relaie fundamental: E-1/2 v2, n care masa = m, v = viteza particulelor. Tensiunea aplicat la bornele tubului n care se produce radiaia catodic sau energia cu care electronii sunt expulzai din atomul respectiv, determin viteza. Pentru msurarea energiei are ca unitate 1eV.

3. Uniti dozimetrice i semnificaia lor Dozimetria a devenit o ramur a fizicii medicale n special. Rolul dozimetriei este de a exprima n uniti, energia radiant care se absoarbe n urma interaciunii dintre radiaia ionizant i materie. Necesitatea utilitii unitilor dozimetrice a impus Comisiei Internaionale de Uniti i Msuri Radiologice (AIEA) de pe lng Organizaia Mondial de Sntate, s se preocupe de uniformizarea unitilor dozimetrice i de trasarea unor direcii generale orientative n practic. Dozimetria msoar fenomenul de ionizare produs n cadrul interaciunii radiaiilor ionizante cu materia. Este posibil aceast msurare deoarece aproape toat energia radiant absorbit este cheltuit pentru producerea de ioni, care pot fi msurai i numrai nainte de recombinarea lor. Avnd n vedere faptul c efectele biologice se bazeaz n esen tot pe fenomenul de ionizare, datele dozimetrice pot fi corelate cu efectele radiobiologice. n acest context trebuie s difereniem noiunile de baz: doza fizic i doza biologic. 48

Doza fizic este acea cantitate de radiaie ionizant care produce modificri decelabile ntr-un instrument dozimetric. Doza biologic este cantitatea de radiaie ionizant cedat unui esut iradiat. Unitile dozimetrice msoar radiaiile ionizante indiferent de natura lor corpuscular sau electromagnetic. Distingem urmtoarele sisteme de msur i uniti: rontgenologic, radiobiologic "i internaional. Sistemul rontgenologic este folosit pentru evaluarea efectelor produse de radiaii X sau gamma sub 3 MeV. Sistemul se bazeaz pe determinarea ionizrii aerului, avnd ca mrime fundamental doza i ca unitate R (rontgenul). Folosirea acestui sistem prezint neajunsul unor informaii aproximative n privina dozelor i efectelor biologice; se utilizeaz ns n practica medical definirea dozei de expunere la suprafaa pielii. Din punct de vedere istoric, prima unitate fizic folosit a fost Rontgenul (R) = cantitate de raze X sau gamma care produce n 1,293 mgr de aer, n condiii normale de temperatur i presiune (O grade Celsius i 760 mmHg) ioni cu sarcin de un Franklin. 1 R va corespunde la 2,1-10 la puterea 9 perechi de ioni. Energia cheltuit pentru producerea unei perechi de ioni, care este de 32 eV. Exprimarea dozei n funcie de timp, adic raportul ntre doz i timpul de expunere permite precizarea dozei n R/sec., i R/min etc. 4. Sistemul de msurare a radioactivitii

Unitatea de msurare n sistemul absolut de unitate este de o dezintegrare pe secund. Unitatea practic este Curie-ul (Ci). Un Ci este activitatea unui preparat n care ntr-o secund se dezintegreaz 37 -IO10 nuclee. Se folosesc n practica medical submultiplii acestei uniti: - milicurie (mCi) = 0,001 Ci - microcurie (Yci) = 0,000001 Ci Doza absorbit este energia transferat de ctre radiaia ionizant ntr-un punct al materiei iradiate, exprimat prin raportul dintre energia transferat i masa materiei respective: Doza absorbit = cantitate de energie / masa de materie iradiat Unitatea de msur a dozei absorbite este rad-ul (rontgen absorbed dose). n practic un R se poate echivala cu 0,92 rad n esut moale la un regim de 200 kV. Efectul biologic al dozei absorbite este dependent de natura radiaiei i energiei ei. S-a luat ca termen de referin radiaia X de 200 kV. n acest fel rezult valori care reprezi