BIOFIZICĂ ȘI IMAGISTICĂ

Noțiuni introductive

Biofizica este o știință cu caracter interdisciplinar la frontiera dintre biologie și fizică. Se ocupă de 2 tipuri de probleme:

- Studierea fenomenelor fizice care apar în sistemele biologice- Cercetarea efectelor biologice ale factorilor fizici

Structura biofizicii și conexiunile ei cu alte domenii

Biofizica este în strânsă legătură cu științele fundamentale, științele bio-medicale, matematica, fizica, genetica, fiziologie, fiziopatologie, clinică medicală, aplicații, etc. Există metode teoretice și practice, si aplicații clinice, de cercetare, de industrie și agricultură. Ramurile principale ale biofizicii luând drept criteriu de clasificare nivelul de organizare al materiei sunt: biofizica nucleară, biofizica moleculară, biofizica sistemelor complexe.Dacă se face o clasificare în sensul fizicii aplicate în biologie se poate clasifica astfel:

- Bioelectricitate- Optică-fiziologică- Biotermodinamică- Bioacustică- Biofizică atomică și nucleară.

Biofizică atomică și nucleară

Materia vie este alcătuită din atomi și molecule iar atomii la rândul lor au o structură care cuprinde nucleu și înveliș electronic. Nucleul este particula cea mai mică care păstrează proprietățile chimice ale elementului din care provine. Numărul atomic se notează cu Z reprezentată de numărul de electroni și de protoni și coincide cu numărul de ordine al elementului din sistemul periodic Mendeleev.Neutronii sunt particule neutre care nu conțin sarcină electrică și care sunt egali cu A-Z, unde A reprezintă numărul de masă adică numărul total de nucleoni. În ordine crescătoare după numărul atomic Z elementele chimice sunt așezate în tabelul Mendeleev.

Există o clasificare a atomilor în funcție de valorile numărului de masă a numărului de ordine:1. Izotopii sunt caracterizați prin aceleași număr atomic, dar număr de masă diferit.2. Izobarii sunt caracterizat prin același număr de masă dar număr de ordine diferit.3. Izotonii sunt caracterizați prin același număr de neutroni.4. Izomerii atomi caracterizați prin același număr de masă și de ordine dar situați în stări energetice diferite.Dimensiunile razei atomului demonstrează că atomul este format din nucleu masiv și compact în jurul căruia se rotesc structuri moleculare.Caracteristicile chimice ale unui atom se manifestă în reacțile de combinare adică în formarea de molecule. În funcție de timpul forțelor de interacțiune dintre atomii care formează molecule se disting 4 tipuri principale:1. Legătura Van der Waas, fiind o legătură slabă și se realizează între atomii de același fel .2. Legătura ionică care se realizează între atomi diferiți, un atom cedând un electron, devine ion, sau acceptă un electron și devine ion.3. Legătură covalentă între atomi identici sau diferiți 4. Legătură metalică.

Biofizica moleculară a apei și soluțiilor apoase

Structura moleculară a apei:Apa este lichidul în cea mai mare răspândire ocupând 75% din suprafața Pământului.Rolul apei în organismele vii este multiplu:

- Este solventul mineral al materiei vii- În interiorul celulelor perticipă la procese chimice, reacții, oxidare,

condensare.- Are rol fundamental în procesul de fotosinteză

Calsificarea apei în organism se face după 4 criterii:- După locul în care se află în raport cu celulele apa poate fi intra sau extra

celulară- Din punct de vedere al distribuției în țesuturi poate fi tisulară sau cavitară- Din punct de vedere al interacțiunii cu moleculele biologice apa este liberă

sau structurată.- După proveniența sa în organism este exogenă sau endogenă

Electronii moleculei de apă sunt 10, și se repartizează astfel:- 2 electroni în apropierea oxigenului

- 2 perechi de electroni care se rotesc pe 2 orbite aflate în plan perpendicular pe planul moleculei de apă având nucleul de oxigen în focare.

- 2 perechi de electroni care se rotesc pe 2 orbite ce înconjoară legătura dintre oxigen și hidrogen, în planul moleculei de H2O.

Structura apei stă la baza explicării comportării anormale a apei, astfel apa prezintă:

- Puncte de topire și fierbere ridicate- Diferențe mari de temperatură între aceastea- Cel mai mare coeficient de tensiune superficială în raport cu toate lichidele- Coeficient de vâscozitate ridicat- Căldură specifică mare- Căldură latentă mare- Variație atipică a densității, adică la majoritatea lichidelor densitatea scade

cu creșterea temperaturii.

Noțiuni de fizică și sisteme de dispersie

Sistemele de dispersie sunt formate din mediul de dispersie (solvent) și fază dispersată (solvit).Sistemele disperse se pot clasifica după starea de agregare a fazelor și interfața.După produsul de dispersie:

- Grad unic- Dispersie coloidală- Dispersie moleculară

Noțiuni de mecanică a fluidelor

În cadrul mecanicii fluidelor există 2 capitole care studiază fluidele, din punct de vedere statistic și din punct de vedere dinamic. Prin fluid înțelegem categoriile de substanțe fără formă proprie care au propietatea de a curge. Hidrostatica este acea parte a fizicii, care se ocupă cu studiul fluidelor în repaus, iar hidrodinamica se ocupă cu studiul fluidelor în mișcare. Se numește linie de curgere traiectoria urmată de un element al unui fluid aflat în mișcare. O linie de curent este curba cărei tangentă este în orice punct în aceeași direcție cu viteza fluidului.Curgerea staționară este când un element trece printr-un punct dat, urmează aceeași traiectorie ca și element ul anterior. Dacă se consideră un element în conductă, cu secțiuni diferite S1 și S2 vitezele v1 și v2 sunt diferite. Se definește debitul de volum, adică variația volumului de fluid raportat la intervalul de timp, cu ecuația (Q=∆v/∆t). v1 > v2 , Q=constant=S v , Q1=Q2 , S1v1=S2v2 sau v1/v2=S1/S2 <- aceasta din urmă fiind ecuația de continuitate.Ecuația de continuitate se interpretează ca fiind conservarea cantității de fluid care se scurge printr-o secțiune a tubului cu condiția ca debitul de curgere să fie constant. Dacă se consideră un fluid incompresibil, în curgere staționară, este respectată condiția de continuitate și anume în zonele înguste viteza este mai mare decât în cele largi. Ca exemplu, se poate aminti sistemul circulator vascular care este un sistem tubular închis, în care inima acționează ca o pompă care împinge sângele în vase de secțiuni diferite, având pereți parțial elastici. Sângele este un lichid nenewtonian iar circulația sângelui este pulsatorie, datorită ciclului cardiac, și anume, acolo unde secțiunea transversală este mare, viteza de curgere a sângelui este mai mică și invers, viteză sângelui în vena cavă este inferioară celei din aortă deoarece o parte din energia cinetică a sângelui se pierde ireversibil prin frecare în patul vascular.

Ecuația lui Bernoulli:

L = (p1-p2) ∆V∆Ec=ρ∆V(v2

2-v12)/2

∆Ep= ρ∆V(h2-h1) * gP1-P2= ρ(v2

2-v12)/2+ ρg(h2-h1) => p+ ρgh+ρ*v2/2=ct => Ecuația lui Bernoulli

Ecuația lui Bernoulli se definește astfel:Presiunea statică exercitată asupra pereților laterali ai conductei ,,p,, + presiunea hidrostatică datorită diferenței de nivel (ρ*g*h) + presiunea dinamică datorită mișcării fluidului ρ*v2/2 rămâne constantă, adică la curgerea unui lichid printr-o conductă, suma dintre presiunea statică, dinamică și hidrostatică rămâne constantă.Această relație arată că presiunea statică scade pe măsură ce viteza de curgere crește dacă presiunea hidrostatică râmăne constantă. Din acest motiv se recomandă ca presiunile arteriale să fie măsurate în poziție șezând sau culcat, cu presostatul la nivelul cordului pentru ca influența factorului hidrostatic să fie minimă.

Fenomene de transport în soluții și prin membrană

Studiul fizicii moleculare cuprinde o serie de fenomene datorită mișcării moleculelor, de aceea se numesc fenomene de transport molecular. Rezultatul fenomenelor de transport constă într-o deplasare netă de substanță dintr-un loc în altul dacă în cadrul sistemului considerat există diferențe de presiune, densitate, concentrație, temperatură, etc.Fenomenele de transport sunt caracteristice mediilor fluide care au coeziune mică, ele curg și iau forma vasului în care sunt puse. Gazele , lichidele și mediile disperse între care această fază domină pot fi considerate fluide. Ca exemplu se poate aminti sângele, care este o soluție completă de gaze lichide și soluție în apă.Principalele fenomene de transport molecular sunt vâscozitatea, difuzia și osmoza.

VâscozitateaUn lichid incompresibil și fără vâscozitate se numește lichid ideal care poate fi newtonian și nenewtonian.Lichidele reale sunt compresibile și au lichiditate.În cazul lichidelor reale, în curgere se constată că acest proces are loc în straturi subțiri, moleculele din același strat având aceeași viteză în timp ce cele din straturile vecine au viteze diferite. Între aceste molecule se exercită forțe de atracție ,,Van der Waals,,.Forțele de vâscozitate (frecare) sunt orientate tangențial și în sens opus vitezei stratului respectiv. Dacă în timpul curgerii straturile de fluid rămân paralele, curgerea se numește curgere laminară și se calculează cu FvS= ηS* Δv/ Δr unde η este coeficientul de vâscozitate, S este suprafața comună a celor 2 straturi, iar

Δv/ Δr este diferența de viteză supra distanței dintre straturi. Se numește gradient de viteză.Pentru lichidele ideale η=0. Lichidele reale pentru care η (eta) nu depinde de viteza de curgere se numesc lichide newtoniene. În cazul lichidelor nenewtoniene η nu mai este constant, existând o dependență între forța de vâscozitate și gradientul de viteză, dependență care este neliniară, deci η depinde de viteza de curgere. Ca exemplu amintim lichidele coloidale, sângele. Sângele este lichid nenewtonian a cărei vâscozitate depinde de hematocrit, dar și de diametrul vasului prin care circulă. Prin hematocrit se înțelege raportul dintre volumul ocupat de elementele figurative ale sângelui, în cea mai mare parte hematii, și volumul total al sângelui. Vâscozitatea relativă a sângelui scade în cazurile de anemie, transfuzii cu ser fiziologic, scăderea concentrației de dioxid de carbon, variază în funcție de vârstă, sex. Este mai mică la copil, mai mare la adult, și mai mică la femeie decât la bărbat.

Difuzia:Se înțelege fenomenul de pătrundere a moleculelor din substanță printre moleculele altei substanțe, datorită mișcării dezordonate de agitație termică a moleculelor. Procesul de difuzie stă la baza egalării gradului de presiune, de concentrație sau de temperatură dintre 2 medii aflate în contact. Și în cazul difuziei se întâlnesc 2 legi, date de Fick, și anume gradientul care migrează prin difuzie printr-o suprafață A este propietatea cu grad de concentrație, iar D este constanta de difuzie iar ,,-,, arată că migrarea se face de la concentrație mare la concentrație mică. dm/dt = DA*dc/dxFenomenul de difuzie are rol esențial în biosferă. Intervine în schimburile dintre organisme și mediu, între celule și exteriorul acestuia precum și în compartimentele celulare. Un exemplu de difuzie a gazelor este procesul de respirație, schimbul gazelor la nivelul alveolelor pulmonare se face prin difuzie, datorită prezenței hemoglobinei. Sângele poate fixa o cantitate de 75 de ori mai mare decât poate fixa apa. Compoziția aerului inspirat este dat de compoziția atmosferei.

Osmoza:Este un fenomen de transport cart apare la limita de separație realizată de o membrană semipermeabilă dintre 2 soluții de concentrații diferite ale aceluiași solvent. Fenomenul de osmoză poate fi pus în evidență cu ajutorul unui aparat numit osmometru format din 2 vaze de sticlă care conțin soluții cu concentrații diferite ale aceluiași solvent, separate prin membrană semipermeabilă.

Dacă în vasul A se pune soluție concentrată iar în vasul B o soluție mai puțin concentrată, astfel încât nivelul lichidului să fie inițial același în cele 2 vase, atunci moleculele solvabile din B vor trece prin membrana semipermeabilă în vasul A. Datorită solventului pătruns în A, nivelul lichidului crește, apare presiune hidrostatică, care echilibrează osmoza, și care la echilibru are valoarea p=ρ*g*h, unde ρ este densitatea soluției din A, h este diferența de nivel a lichidelor din cele 2 vase în starea finală, iar g este accelerația gravitațională.

În cazul osmozei au fost stabilite următoarele legi:

1. Pentru soluții aceluiași solvid, aflate la aceeași temperatură, p~C2. Pentru soluții aceluiași solvid cu aceeași concentrație p~temp.3. Pentru soluții cu aceeași concentrație și aceeași temperatură dar cu solviți diferiți, presiunea osmotică este invers proporțională moleculară a solvitului.4. Presiunea osmotică nu depinde de natura solventului.

Exemplu în organism:Rinichiul este singura glandă cu secreție hipertonică din organism. El concentrează surplusul de săruri în urină pe care apoi o elimină. În cazul de insuficiență renală, rinichiul nu poate asigura această funcție de reglare și apare starea toxică, numită uremie. În aceste cazuri dezintoxicarea se face cu ajutorul rinichiului artificial. Sângele este filtrat prin dializă, folosind membrana din plastic, semipermeabilă, care permite trecere particulelor de dimensiuni mici, cum ar fi moleculele, să străbată în ambele sensuri, în timp ce particulele coloidale și macroparticulele sunt reținute într-o parte. Soluția de dializă este salină, și ușor hipertonică, acest lucru asigurând o presiune osmotică mărită în compartimentul care conține sângele, și determină apa să treacă în dializor. Soluția de dializă trebuie permanent înlocuită, iar viteza de dializă este influențată de dimensiunea porilor membranei, de temperatură, de vâscozitate și încărcare electrică a membranei.