Cursul I

Definiție: biofizica reprezintă știința care se ocupă cu studiul fenomenelor fizice implicate în funcționarea sistemelor biologice, fiind o știința care utilizează tehnici și concepte fizico-chimice pentru cercetarea fenomenelor lumii vii. ( gr. Bios=viață, physis=natură). Este o disciplină de graniță, între științele fizice și cele biologico-medicale, alături de biochimie, bioinginerie. Tendința științei ca un tot unitar este spre estomparea granițelor dintre ramurile științifice de sine stătătoare în vederea înțelegerii și elaborării de soluții la problemele existente. Astfel, biofizica explică folosirea tehnicilor fizice în științele biologice și în medicină, a necesității abordării cantitative și analitice a fenomenelor biologice. Se învecinează sau interacționează cu fiziologia, citofiziologia, biochimia, genetica, chimia fizică (anorganică) fără a se confunda cu vreuna din acestea. Este greu de precizat unde se termină una și începe alta, deoarece absolut toate aceste ramuri, în natură, con-lucrează împreună ca un tot unitar. Biofizica se ocupă de 3 problematici majore: fenomenele fizice implicate în funcționarea sistemelor biologice, folosirea tehnicilor fizice pentru cercetarea unor probleme de biologie, cercetarea efectelor biologice ale factorilor fizici.Materia vie este organizată în sisteme biologice: atomi, biomolecule, celule, țesuturi, organe, sisteme, aparate, organism. Biofizica se dorește a studia primele nivele, atomii, biomoleculele și celulele, și din acest motiv este adesea evocată în studii de biologie moleculară, unde cu ajutorul biochimiei și geneticii moleculare, explică anumite aspecte ale științei. Biofizica este la rândul ei trunchiată în mai multe ramuri: biomecanică (diferitele tipuri de locomoție animală sau motilitate celulară), bioelectricitate (ansamblul fenomenelor electrice din lumea vie, la nivel celular, tisular și de organ), biotermodinamica și bioenergetica (generarea și stocarea sau conversia energiei la nivel celular și problemele energetice ale sistemelor biologice la nivel supraindividual), biocibernetica (mecanismele reglării și transmiterii de informații în sistemele biologice), radiobiologia (fenomenele ce au loc la interacțiunea radiației cu materia vie).Materia vie este compusă, la fel ca tot ce ne înconjoară, din atomi.

Atomul (lt. A=fara, tome=taiere) reprezintă cea mai mică particulă indivizibilă din care

este compusă materia. Atomii sunt reprezentați în tabelul periodic al elementelor, în

ordinea crescătoare a masei atomice (acesta este criteriul de ordonare). Un atom este

compus din nucleu (compus la rândul lui din protoni si neutroni) și un nor electronic

(format din electronii care orbitează nucleul). Termenul de atom apare pentru prima dată

către anul 450 î.e.n. Filozoful grec Leucip dezvoltă teoria conform căreia materia nu este

infinit divizibilă și introduce noțiunea de atomos, ceea ce nu poate fi divizat. Câțiva ani

mai târziu, Democrit, un discipol al lui Leucip, definește materia ca fiind un ansamblu de

particule indivizibile, invizibile și eterne: atomul. Această nouă concepție nu a fost

rezultatul unor observații sau experiențe, ci mai degrabă al unor intuiții. Teoria a fost

dezvoltată ulterior de Epicur, apoi de poetul latin Lucrețiu. Au trecut însă 2000 de ani

până când teoria atomică a fost formulată științific.

În anul 1803, fizicianul și chimistul englez John Dalton a elaborat o teorie atomică

proprie care explică Legea proporțiilor multiple, afirmând că din moment ce substanțele

se combină numai în proporții integrale, atomii trebuie să existe la baza materiei.

Meditațiile filozofice atomiste datează încă de pe vremea vechilor

gânditori greci și indieni ai secolelor al VI-lea și al V-lea î.d.Ch. Prima formulare

filozofică a unei idei similare celei de atom a fost dezvoltată de Democrit în Grecia

secolului al VI-lea î.d.Ch. Ideea s-a pierdut timp de secole, până la reaprinderea

interesului științific din epoca Renașterii.

În secolul al XIX-lea, John Dalton a vrut să cunoască de ce se sparg substanțele în

constituenți proporționali. În lucrarea Noul sistem al filozofiei chimice (1808), a introdus

două postulate:

atomii aceluiași element chimic sunt identici, dar diferiți între elemente;

atomii diferitelor elemente se pot combina între ei, formând subtanțe complexe.

Așadar, fiecare element chimic a fost reprezentat printr-un tip de atom și invers.

În ultima parte a secolului al XIX-lea, William Crookes a inventat tubul cu raze

catodice (denumit și tub Crookes) și a fost primul care a observat particule încărcate

negativ într-un astfel de tub. Aproape de trecerea către secolul al XX-lea, J.J. Thomson,

în urma cercetărilor sale privind razele catodice, a descoperit că atomii sunt divizibili

(infirmând teoria lui Dalton), fiind parțial compuși din particule foarte ușoare încărcate

negativ (dovedite a avea proprietăți identice indiferent de elementul chimic de la care

proveneau), ce au fost numite mai târziu electroni. De altfel J.J. Thomson propune primul

model de atom, în care electronii sunt incluși într-o bilă cu sarcină pozitivă precum

„stafidele într-un cozonac”.

În 1911, Ernest Rutherford a descoperit că electronii orbitează un nucleu compact. Tot

Rutherford a descoperit că hidrogenul posedă cel mai ușor nucleu, pe care l-a

numit proton (în limba greacă, προτου înseamnă „primul”). Pentru a explica de ce

electronii „nu cad, în spirală, pe nucleu”, Niels Bohr a dezvoltat un model al atomului în

care, folosind rezultatele mecanicii cuantice, electronii nu pot să parcurgă decât orbite

circulare fixate.

După descoperirea principiului de incertitudine al lui Werner Heisenberg, conceptul de

orbită circulară a fost înlocuit cu cel de „nor”, în interiorul căruia distribuția electronilor a

fost descrisă prin ecuații probabilistice. În sfârșit, după descoperirea în anul 1932

a neutronului (în urma experimentelor efectuate de Walther Bothe și Herbert Becker în

1928), particulă neutră din punct de vedere electric, nucleele atomice ale elementelor mai

grele decât hidrogenul s-au găsit a fi formate din protoni și neutroni, aceste ultime

rezultate completând concepția modernă despre structura atomică.

Prin urmare protonul este particula încărcată pozitiv (+), iar electronul (-). Neutronul este

neutru dpdv electric, dar este acea particulă care conferă masa atomică. Atomul este o

structură neutră dpdv energetic, deoarece deține un nr de electroni=nr de protoni.

Sarcina electrică a e-= - 1.602176565(35)×10−19 Coulombi, , p+= +

1.602176565(35)×10−19 C, masa n 0= 1.674927351(74)×10−27 kg.

Daca i se extrage 1 electron sau 1 proton din structură, atomul devine ion pozitiv sau

negativ (în funcție de sarcina electrică dominantă). Exemplu: atomul de Hidrogen pierde

1 electron, devine H+, iar la primul electron pe care îl va întâlni în natură, îl va prelua să

orbiteze în jurul nucleului său (în condițiile în care nu concurează cu un alt element

chimic care a pierdut 2 electroni, iar puterea acestuia de atracție este mai mare decât a

H+). Materia este într-o continuă schimbare, nu este mereu aceeași. Atomii pierd sau

căștigă particule non-stop, ies sau intră dintr-o moleculă în alta neîncetat dupa legi

chimice, fizice, biologice imuabile. Despre organismul uman se zice că odată la aprox. 7

ani își schimbă toată structura atomică prin aportul de alimente și pierderea de materie.

Apa

Apa este un lichid inodor, insipid și incolor. Apa este o substanță absolut indispensabilă

vieții, indiferent de forma acesteia, fiind unul dintre cei mai universali solvenți. Apa este

un compus chimic al hidrogenului și al oxigenului, având formula chimică brută H2O.

Din punct de vedere biologic, apa are numeroase proprietăți indispensabile

proliferării vieții, care o deosebesc de celelalte substanțe. Apa își îndeplinește acest rol,

permițând compușilor organici să reacționeze în moduri care să permită în cele din urmă

replicarea. Este un bun solvent și are o tensiune superficială ridicată, permițând astfel

mișcarea compușilor organici și a organismelor vii. Apa este un foarte bun solvent,

similar din punct de vedere chimic cu amoniacul, și dizolvă multe tipuri de substanțe,

precum diferite săruri și zahărul, și facilitează reacțiile chimice ale acestora, lucru care

permite metabolismele complexe.

Unele substanțe însă nu se amestecă cu apa, cum e de exemplu petrolul, și alte substanțe

hidrofobe. Membranele celulare, compuse din lipide și proteine, profită de această

proprietate, controlând interacțiunea dintre ele și mediul extern. Acest lucru este ușurat de

tensiunea superficială a apei.

Picăturile de apă sunt stabile datorită tensiunii superficiale mari datorată puternicelor

forțe intermoleculare numite forțe de coeziune. Acest lucru este evident atunci când mici

cantități de apă ajung pe o suprafață insolubilă, precum polietena: apa rămâne sub formă

de picături. Totuși, pe sticlă extrem de curată apa formează o peliculă subțire deoarece

forțele dintre moleculele de apă și de sticlă (forțele de adeziune) sunt mai mari decât

forțele de coeziune. Acest lucru este foarte important în cadrul transpirației plantelor.

În celulele și organismele biologice, apa se află în contact cu suprafețele membranoase

proteice care sunt hidrofile, adică prezintă o puternică atracție pentru apă. Langmuir a

observat o puternică forță de respingere între suprafețele hidrofile. Pentru a deshidrata

suprafețele hidrofile este necesar un efort deosebit pentru învingerea acestor forțe, numite

forțe de hidrație. Aceste forțe sunt foarte puternice, dar valoarea lor scade rapid pe

distanțe mai mici de un nanometru. Importanța lor în biologie a fost studiată de

Parsegian. Prezintă importanță în special atunci când celulele sunt deshidratate prin

expunerea la atmosferă uscată sau la îngheț extracelular.

Viața pe Pământ a evoluat și s-a adaptat acestor proprietăți ale apei. Existența formelor

solidă, lichidă și gazoasă ale apei pe Pământ a reprezentat un factor important pentru

colonizarea diferitelor medii ale planetei de către forme de viață adaptate variatelor, și

adesea extremelor, condiții de viață.

În istorie, civilizațiile s-au dezvoltat cu precădere pe malurile râurilor sau

mărilor: Mesopotamia, așa-numitul leagăn al civilizației este situată între două râuri,

Egiptul antic a înflorit pe malurile Nilului, iar marile metropole,

precum Londra, Paris, New York și Tokio își datorează succesul în parte accesibilității

oferite de situarea lângă o apă, și înflorirea comercială rezultată. Insulele cu porturi

sigure, precum Singapore și Hong Kong, s-au dezvoltat tocmai din acest motiv. În locuri

precum Africa de Nord și Orientul Mijlociu, unde apa nu se găsește în abundență, accesul

la apă potabilă a fost și este o mare problemă în dezvoltarea comunităților umane.

O greșeală des întâlnită este aceea că apa este un bun conductor de electricitate. Toate

proprietățile electrice ale ape se datorează ionilor sărurilor minerale dizolvate în ea și

dioxidului de carbon dizolvat în ea. Apa prezintă auto-ionizare (două molecule de apă se

transformă într-un anion de hidroxid și un cation de hidroniu) însă doar la un nivel

aproape imperceptibil.

Numeroase cercetări întreprinse cu privire la structura și proprietățile moleculei de apă au precizat următoarele: atomul de oxigen este lega covalent de cei 2 atomi de hidrogen, între oxigen și fiecare hidrogen fiind o distanța de 0,99 A. Direcțiile celor 2 legături O-H formează între ele un ungi de 105 grade. Cei 10 electroni ai apei sunt distribuiți astfel încât densitatea electronică maximă se află în vecinătatea atomului de oxigen. În consecință, centrul sarcinilor negative nu coincide cu centrul sarcinilor pozitive; iar molecula de apă se comportă ca un dipol electric. Din punctul de vedere al distribuției al sarcinilor electrice, molecula de apă are o structură tetraedrică. Apa este un component major al materiei vii. În creier am conține aproximativ 77% apă, ficatul 75%, plamânul 81%, inima 77%, rinichiul 78%, mușchiul 76%, dintele 9%, osul 43%, părul 4%. Apa are rol în depolarizarea membranei, excitația celulară, conducerea influxului nervos, contracția musculară, epurarea organismului de compușii toxici.Un sistem dispers coloidal reprezintă un sistem termodinamic heterogen obținut obținut prin amestecarea a două sau mai multor componente nemiscibile. Componentl aflat în cantitate mai mică, se numește dispersoid, iar cel aflat în cantitate mai mare se numește mediu de dispersie. Dispersoidul este alcătuit din particule coloidale, numite unități cinetice, de dimensiuni mai mari decăt cele ale mediului de dispersie. De aceea el constituie faza discontinuă, în timp ce mediul de dispersie reprezintă faza continuă a sistemului dispers. Între cele două faze există o suprafață de contact foarte mare care

conferă sistemului coloidal anumite proprietăți specifice. Această suprafaţă, numităsuprafaţă interfazică, este cu atât mai mare cu cât dimensiunea unităţilor cinetice este mai mică.O suprafaţă interfazică mare determină o instabilitate ridicată a sistemuluidispers coloidal.Cea mai importantă consecinţă a prezenţei suprafeţeiinterfazice o reprezintă instabilitatea termodinamică a coloizilor.Dacă particulele celor două componente sunt de dimensiuni mici, deordinul a 10-10m şi cu polarităţi apropiate, atunci amestecarea lor conducela un sistem omogen, fără suprafaţă interfazică, stabil termodinamic, numitsoluţie micromoleculară.Un comportament particular îl au sistemele obţinute prin dizolvarea compuşilor macromoleculari în solvenţi corespunzători, care deşi au un caracter omogen (soluţii de compuşi macromoleculari), totuşi proprietăţilelor termodinamice diferă de cele ale soluţiilor micromoleculare. Studiile referitoare la p roprietăţile fizico-chimice ale sistemelor coloidale au condus la observaţia potrivit căreia, coloizii nu reprezintă oclasă de substanţe chimice, ci o stare în care poate exista orice compus chimic. Potrivit definiţiei IUPAC,o substanţă se află în stare coloidală dacă particulele componente au cel puţin o dimensiune cuprinsă între 10-9m (1nm =10 A) şi 10-6 m. Aceste dimensiuni se obţin fie prin unirea prinlegături fizice sau chimice a speciilor moleculare (atomi, ioni, molecule), fie prin divizare a substanţei macroscopice. Ştiinţa coloizilor este o ştiinţă interdisciplinară deoarece sistemelecoloidale sunt sisteme deosebit de complexe, iar studierea lor necesităcunoştinţe de chimie, fizică, biologie, matematică etc.Ea are ca obiect de studiu nivelul mezoscopic al materiei. Acestnivel se mai numeşte şi nivelul nanometrilor, deoarece materia se află subforma particulelor de dimensiuni nanometrice.