Curs 1Biofizica

Obiectul biofiziciiviata este o forma superioara de micare a materiei, care nu se poate reduce la formele ei inferioare (fizice, chimice), forme pe care le nglobeaz organismele vii, dar fr cunoaterea acestor aspecte nu este posibila nelegerea vieii.

Definitia biofiziciiBiofizica este o tiin interdisciplinara care se ocupa cu:Studierea fenomenele fizice implicate in functionarea sistemelor biologice.Folosirea tehnicilor pentru cercetarea sistemelor biologice;Cercetarea efectelor biologice ale factorilor biofizici asupra sistemelor biologice;

Bibliografie

Biofizica / Margineanu, Doru-Georg, Bucuresti: Editura Stiintifica si Enciclopedica, 1985,Principii de biofizica umana. Vol. 1 si 2 / Dimoftache C, Herman, Sonia, Bucuresti: Editura Universitara "Carol Davila" din Bucuresti, 2003 Fundamentele biofizicii medicale / POPESCU, Aurel , Bucuresti: ALL, 1994 Metode biofizice de analiza. Senzori si biosenzori [Resursa electronica] / Monica Florescu (2008) Fizica generala / Monica Florescu, Sorin Mihai Adam, Natalia Dihoiu (2007) Biophysical theory of radiation action : a treatise on relative biological effectiveness / Gunther, Klaus (1983)Biofizica / Margineanu, D.G. (1980)

Biofizica note de curs / M. Florescu, http://biofiz.unitbv.ro/moodle/User: student1Pass: Student-1Biofizica si fizica generala : lucrari de laborator / Florescu, Monica (2004)

Catalog online: http://www.unitbv.ro/biblio/

Structura si proprietile materiein univers materia se prezinta sub doua forme:Substana este forma de existenta a materiei care are o structura discontinua, discreta si care este alcatuita din microparticule din agregarea carora rezulta corpurile inconjuratoare. Substanta se prezinta sub patru stari de agregare: solida, lichida, gazoasa si plasma.Cmpul, este forma de existenta a materiei cu o structura continua prin intermediul careia particulele de substanta sunt unite in sisteme si prin care se transmit interactiunile dintre aceste particule. Dupa natura lui, campul poate sa fie: gravitational, electric, magnetic, nuclear.

Structura si proprietatile materieiIndiferent de starea lor de agregare, corpurile macroscopice sunt alcatuite dintr-un numar foarte mare de particule (molecule, atomi, ioni) aflate intr-o continua miscare.

Atomii molecule sau cristaleMoleculele cristale moleculare si macromoleculare, polimeri (in urma unirii unor molecule mici monomeri)biomolecule = biopolimeri

Structura si proprietatile materieiStructura moleculelor este determinat de felul i numrul atomilor, de orientarea spaial a legturilor dintre atomi, de gradul de rotaie n jurul unei anumite direcii.

Caracteristic materiei vii, este ca biomoleculele (biopolimeri) sunt structurate pe mai multe nivele, posednd patru tipuri de structuri: primar, secundar, teriar i cuaternar.

Compoziia materiei viiSistemele vii sunt alctuite din atomi identici cu cei din materia anorganic, atomii fiind legai ntre ei prin aceleai tipuri de legturi ca i n materia anorganic.Putem spune astfel c materia vie este alctuit din micromolecule i macromolecule care nu sunt vii fiind caracterizat printr-o deosebit heterogenitate. Viaa se manifest doar la nivel supramolecular.

Compoziia materiei viiElementele constitutive ale materiei vii provin din lumea minerala si patrund in organismele vii prin intermediul proceselor de fotosinteza, respiratie sau nutritie Macroelementele sau poligoelementele se gasesc in materia vie in concentratii de cel puin 50 mg/kg greutate corporal si intr in constitutia majoritatii substantelor organice si anorganice din structurile biologice. Se pot imparti in trei grupe:Bioelemente principale de constitutie (plastice): O, C, H, N.Biometale: Ca, Mg, K, Na.Elemente metaloide: P, S, Cl Microelementele sau oligoelementele se gasesc in materia vie in concentratii sub 50 mg/kg greutate corporal; au importanta biologica speciala datorita functiilor lor vitale Fe, F, Si, Zn, Cu, Br, Sn, Mn, I, B, As, Co, Se, Cr, Vn, etc.

Forele de interaciune molecular ntre moleculele ce alctuiesc o substana, indiferent de starea ei de agregare, se manifest fore de interaciune. Aceste fore de interaciune confer fiecarei substane o energie de interaciune specific sistemului molecular explicnd astfel existena strilor de agregare ale materiei.

Forele de interaciune molecular n funcie de distana dintre molecule, forele de interaciune pot fi de atracie sau de respingere. La corpurile solide i lichide se manifest fore de atracie ce determin meninerea constant a volumului acestora, iar la corpurile solide, chiar i a formei lor. Gazele se caracterizeaz prin fore de atracie molecular foarte slabe astfel c ocup ntreg volumul pe care-l au la dispoziie.

Structura si proprietatile materieiStabilitatea moleculelor se datoreaza:fortelor interatomice sau intramoleculare (forte de interactiune dintre atomii constituenti) i forelor intermoleculare, care actioneaza pentru a se obtine o configuratie electronica stabila.

Structura si proprietatile materieiRezultatul acestor interaciuni este fie formarea unor legturi chimice, adic a unor componeni moleculari, fie dispunerea spaial a acestora n conformitate cu forele intermoleculare care se manifest ntre ei.

Forele inter- i intramoleculare apar din faptul c toi atomii conin sarcini electrice de semne contrare. Astfel aceste fore sunt de natur electrostatic.

La baza tuturor interaciunilor electrostatice st legea lui Coulomb care exprim fora F cu care interacioneaz dou particule avnd sarcinile electrice q1 i q2, aflate la distana d ntr-un mediu cu constanta dielectric :

Tipurile de legturi care determin formarea moleculelorlegtura ionic sau cea covalent

Legatura Van der Waals

Repartiia sarcinilor electrice n molecule poate fi: uniform (molecule nepolare) sau neuniform (molecule polare sau dipoli electrici).

Dipolii electrici interacioneaz ntre ei i deci ntre moleculele polare se manifest fore de atracie, anumite fore de coeziune. Forele de atracie exercit i o aciune de orientare a moleculelor polare, care vor avea tendina s realizeze anumite configuraii.

Fora Van der Waals este fora de atracie dintre molecule polare invers proporional cu puterea a 7-a a distanei dintre molecule pentru care se stabileste un echilibru dinamic.

Forele Van der Waals sunt mult mai slabe dect legturile chimice si nu modific structura i proprietile moleculelei i de aceea joac un rol important n cadrul proceselor biochimice din sistemele vii, n mod deosebit n structurile tranzitorii ale moleculelor celulare, cum sunt: sinteza proteinelor n ribozom, influena reglatoare a ADN-ului, aciunea enzimaticocatalitic.

Ex.Abilitatea unor soparle de a urca pe sticla sau a sta atarnate cu un singur picior este atribuita forelor Van der Waals (folosind firele de par de pe picior)

puntea de hidrogen (legtura coordinativ) ia natere datorit forelor electrostatice care apar: ntre hidrogenul din gruparea OH a unei molecule i perechea de electroni neparticipanti ai oxigenului dintr-o molecul vecin,n cazul asocierii printr-o punte dubl a unui atom de hidrogen cu gruparea >NH a altei molecule.

Formarea punilor de hidrogen, a crei energie de legtur reprezint doar 1/10 din valoarea legturii covalente, explic asocierile moleculare care determin proprietile neobinuite ale apei i joac un rol important n stabilirea structurii spaiale a biopolimerilor sau n stabilirea unor legturi specifice ntre macromolecule.

Valoarea sczut a energiei de legtur a acestei legturi o face uor de disociat cu un consum energetic redus, la formarea unei noi legturi eliberndu-se o cantitate mic de energie liber.

ntre gruprile laterale ale moleculelor se pot forma puni de hidrogen care determin o reducere a posibilitilor de rotaie n jurul legturilor covalente. Astfel pot lua natere alte structuri, cum sunt structurile secundare ale biopolimerilor.

Interaciunea hidrofila apare intre moleculele de apa si alte molecule (sunt atrase catre sarcinile electrice ale moleculelor de apa).

Exemplu: moleculele de glucoza au gruparea hidroxil (OH) care atage moleculele de apa. In final moleculele de glucoza sunt inconjurate de un strat de molecule de apa, strat numit strat de hidratare.

De aceea apa este un solvent asa de bunglucozaapa

Interaciunea hidrofob apare intre moleculele dizolvate n ap care au poriuni hidrofobe care nu se dizolv n ap (nu au portiuni incarcate cu sarcina electrica care sa se atraga sau sa se respinga). Interactiunile hidrofile impreuna cu cele hidrofobe ajuta la determinarea formei tri-dimensionale si structura biomoleculelor (cum sunt proteinele) si a membranelor celulare.uleiapa

Structura si proprietatile materiein afar de propria lor structurare multipl, componeii macromoleculari ai materiei vii alctuiesc formaii supramoleculare, din care se obin organitele i celulele de ansamblu, astfel nct toate transformrile moleculare din materia vie se desfoar ntr-un cadru mai nalt de organizare.

Uniti biomoleculareMacromolecule (polimer) molecule uriae cu masa pn la un milion de uniti atomice de mas formate din molecule mici asemntoare ntre ele (monomeri).Monomeri: aminoacizi care formeaz polipeptidele (din proteine),nucleotide care formeaz polinucleotidele (din acizii nucleici)monozaharide care formeaz polizaharidele

Treptele de organizare ale materieiParticule fundamentale: protoni, neutroni, electroni,etc.Elemente chimice:atomi si ioni de dimensiuni foarte mici (C, H, O, N, Na+, K+, Cl-, Ca2+, Mg2+, etc),Structuri chimice simple: micromolecule neutre sau disociate (apa),Structuri chimice complexe: macromolecule (proteine, acizi nucleici, polizaharide, lipide),Complexe supramoleculare. Structuri submicroscopice: citopalsma .Structuri subcelulare: organite celulare, structuri functionale.Structuri celulare.Structuri supracelulare.

Masa atomic i masa molecular. Cantitatea de substanO marime important este cantitatea de substant, care n S.I. este exprimat n kmol i caracterizeaz numarul entitilor elementare (atomi, molecule) cuprinse n substan. Un kmol de substan este egal cu cantitatea de substan a unui sistem n care numarul entitilor elementare este egal cu acela al numrului atomilor de carbon aflati n 12 kg .Astfel, prin definiie, un kmol din orice substan conine acelai numr de atomi (molecule) egal cu numrul lui Avogadro

Masa atomic i masa molecular. Cantitatea de substanUnitatea atomic de mas reprezint a 12-a parte din masa izotopului i are valoarea:

Masa molar reprezint masa unui mol de substan, i se exprim n kg prin acelai numr ca masa molecular relativ conform relaiei:

Masa atomic i masa molecular. Cantitatea de substanDeterminarea maselor moleculareMasele moleculare relative pot fi determinate destul de precis prin nsumarea maselor atomice relative a atomilor ce alcatuiesc molecula, deoarece energia legturilor chimice ale atomilor i defectul de mas corespunztor acestor legturi sunt destul de mici i se pot neglija. Numrul de moli va fi atunci:

N reprezint numrul entitilor elementare coninute n substana dat.

Structura atomuluiatomul este un sistem complex Dimensiunile liniare ale particulelor care alctuiesc atomul sunt de ordinul , iar masa lor absolut este cuprinsa ntr-un interval deo reprezentare simplist a structurii atomului corespunde unui sistem microscopic planetar n centrul cruia este plasat nucleul atomic n care este concentrat practic aproape ntreaga mas a atomului. ntre nucleu i nveliul electronic se manifest fore de interaciune electrice i magnetice prin intermediul fotonilor ce menin stabilitatea atomului.

Structura nucleului atomicNucleul la rndul su prezint o structur complex ce reflect caracterul discontinuu al materiei Protonii i neutronii interacioneaza ntre ei formnd un nucleu stabil. Forele de interaciune dintre nucleoni sunt forte de atracie de mare intensitate, au caracterul unor fore de schimb i se numesc fore nucleare. Intensitatea forelor nucleare este cu 6-7 ordine de mrime mai mare dect intensitatea forelor de interaciune coulombian ce menine stabilitatea atomului i acioneaz pe distane extrem de mici, comparabile cu dimensiunile nucleului atomic.

Sisteme fizice. Clasificarea sistemelor fizicePrin sistem fizic se intelege un ansamblu format din mai multe componenete identice sau diferite, unite prin legaturi si interactiuni specifice reciproce. Componentele sistemului pot interactiona intre ele sau cu mediul inconjurator. Fiecare tip de sistem este organizat si functioneaza dupa legi general valabile, specifice fiecarui tip de sistem.

Clasificarea sistemelor fiziceIn functie de structura interioara a sitemului:Sistem omogen, format din constituenti identici.Sistem neomogen (heterogen), format din constituenti diferiti, despartiti prin suprafete de separare.

Clasificarea sistemelor fiziceIn functie de variatia proprietatilor sistemului pe diferite directii:Sistem izotrop in care proprietatile sunt identice pe diferite directii din sistem.Sistem anizotrop in care proprietatile sistemuli variaza in mod diferit de-a lungul directiilor din sistem

Clasificarea sistemelor fiziceIn functie tipul de interactiune cu mediul exterior:Sistem izolat, care nu schimba nici energie, nici substanta cu mediul exterior. Cantitatea de energie si substanta sunt considerate constante in timp.Sistem inchis (pentru substanta), care schimba numai energie cu mediul exterior. Cantitatea de energie a sistemului inchis este variabila, iar cantitatea de substanta este constanta.Sistem deschis, care schimba cu mediul exterior atat substanta, cat si energie. Pentru un sistem deschis, atat cantitatea de energie cat si de substanta sunt variabile in timp.

Organismele vii reprezentate prin sisteme deschise, anizotrope si heterogene sunt numite sisteme biologice (biosisteme).

Datorita organizarii sistemice a organismelor vii, fenomenele si legile fizice si chimice actioneaza in conditii speciale, care confera acestora caractere proprii, specifice organismelor vii. Aceste conditii determina manifestarea unor legi si fenomene noi, biologice.

Biosistemele alctuite din particule nevii manifest proprieti specifice, nentlnite la materia anorganic, inert, cum sunt.

Metabolismul, este caracteristica definitorie a biosistemelor si reprezint totalitatea transformrilor chimice i energetice care au loc ntr-un organism viu. Sistemele care nu prezint metabolism propriu, dar care au nevoie de metabolismul celulelor pentru multiplicare, sunt virusurile, situate la grania ntre viu i neviu.

Autoreproducerea, este o funcie a organismelor ce reprezint o condiie sine qua non a continuitii existenei unei specii. Conform teoriei biogenezei, acceptat universal, orice fiin actual a provenit tot dintr-o fiin sau din interaciunea a dou fiine de sex opus.

Integralitatea. Partile componente ale sistemului nu pot exista si functiona normal decat in cadrul intregului sistem. Insusirile intregului sunt diferite de insusirile partilor componente. Sistemul biologic prezinta insusiri noi, care apar in urma conexiunilor si interactiunilor dintre partile sale.

Echilibrul dinamic reprezinta starea sistemului biologic aflat intr-o continua reinnoire, caracterizata prin existenta unui flux permanent de substanta si energie. Desi sistemul ramane acelasi, pastrandu-si integritatea si individualitatea, la nivel atomic si molecular se produce o reiinoire specifica diverselor elemente constitutive.

Autoreglarea, reprezinta proprietatea caracteristica sistemelor biologice prin care isi mentin homeostazia (aceeasi stare a sistemului data de variatia in limite foarte stranse a diferitilor parametrii ai mediului intern). Sistemul trebuie sa se comporte, sa functioneze in acelasi fel in fata unor stimuli exteriori (temperatura, vant, umiditate, dusmani) care tind sa deranjeze echilibrul dinamic al sistemului. Sistemele biologice au proprietatea de a se autocontrola si autoregla in fiecare moment, datorita faptului ca organismele vii sunt si sisteme cibernetice.

Cresterea, dezvoltarea, reproducerea si moartea sunt caracteristici ale tuturor sistemelor biologice. In dezvoltarea sistemelor biologice se aplica legea biogenetica fundamentala formulata de biologul german E. Haeckel care spune ca: ontogenia (dezvoltarea unui organism din momentul fecundarii pana la stadiul de individ) repeta filogenia (dezvoltarea speciei privita ca rezultat al evolutiei lumii vii).