Biofizica

1. Biofizica este știința care studiază fenomenele fizice din sistemele biologice cu
ajutorul teoriilor si tehnicilor fizico-matematice. Se ocupă de 3 probleme
fundamentale:
1. Studierea fenomenelor fizice implicate în funcționarea sistemelor
biologice
2. Folosirea tehnicilor fizice pentru cercetarea unor probleme de biologie
3. Cercetarea efectelor biologice ale factorilor fizici
Apariția biofizicii este o consecință a folosirii din ce în ce mai largi a tehnicilor
fizice în științele biologice, în medicină, a necesității unei abordări cantitative și
analitice a fenomenelor biologice.
Înclinarea omenească de a explica funcționarea organismului s-a conturat încă
din antichitate. Astfel în antichitate erau folosite fenomenele și factorii fizici în
vederea prevenirii și vindecării unor maladii. Astfel antichitatea romană
cunoștea talasoterapia, popoarele bazinului mediteranean foloseau plaja și
solarul conștienți de efectul razelor UV. În evul mediu se remarcă Leonardo da
Vinci cu studii asupra zborului păsărilor, preocupări pe care le încadrăm azi în
biomecanică. În sec. XVIII se remarcă L. Galvani prin observațiile sale asupra
excitabilității mușchiului de broască. În sec. XIX Helmholtz a măsurat viteza
influxului nervos. În sec. XX, menționăm lucrările lui Danielli asupra structurii
membranelor biologice, apoi G. Palade a inițiat aplicarea microscopului
electronic în cercetarea biologică.
Relația Biofizicii cu alte științe:
1. Științe fizice:Fizica, Chimia, Biochimia
2. Cibernetica
3. Științe bio-medicale: Genetica, Fiziologia, Fiziopatologia, Clinca medicală
4. Problematica specială: Principii și mecanisme fizice ale funcționării
sistemelor biologice, Interacția sistemelor biologice cu factorii fizici ambienți
5. Metode: Experimentale, Teoretice
6. Aplicații: Clinice, Agrozootehnice, Industriale

2. Notiuni de fizica moleculara a lichidelor
Forte si legaturi intermoleculare în lichide.
Moleculele lichidelor interacționează în general prin forte de tip Van de Waals.
Legaturile Van der Waals se întâlnesc în cazul dipolilor electrici. Într-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 în timp, acest comportament dipolar dispare în cazul moleculelor
perfect simetrice. În general, moleculele se pot comporta ca dipoli permanenti
sau indusi (în prezenta unor câmpuri 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, în functie de caracterul dipolului, de tip:
- dipol instantaneu – dipol instantaneu;
- dipol instantaneu – dipol permanent;
- dipol permanent – dipol permanent.
Un alt tip de legaturi întâlnite la lichide sunt cele coordinative (mai
puternice). În acest caz exista o suprapunere partiala a norilor electronici ai
moleculelor. Între moleculele lichidelor exista si forte de repulsie datorate
respingerii sarcinilor de acelasi fel.
În functie de natura legaturilor pe care le contin, lichidele sunt:
- simple (contin numai legaturi Van der Waals – exemplu, alcoolul);

3. - complexe (în afara legaturilor van der Waals contin si alte legaturi, mai
ales de tip coordinativ – exemplu, apa).
Un grup special îl constituie cristalelelichide în 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 câmp electric extern

4. Legături van der Walls

5. Legături de hidrogen

6. Modele moleculare ale starii lichide
 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 pottrece dintr-o celula in alta
 Modelul vacantelorfluidizante
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 moleculareale stării 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) – structură ordonată spațial
Tipuri de Cristale lichide
 Termotrope : tranzitia la faza de cristal lichid este influentata de temperatura
Nematice
Smectice (ex: mielina)
Colesterice – sunt optic active (ex: colesterolul)

7.  Liotrope : tranzitia la faza de cristal lichid e influentata de concentratie
(si mai putin de temperatura). Exemplu: Membranele celulare
Cristalelichidetermotrope
 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

8.  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

9. Cristalelichidelipotrope

10. Molecula de apa
Structura moleculei de apă
1H: 1s1; 8O: 1s22s22p4
. .
H : O : ;
. .
H
. .
H ¾ O : ;
½
H
H2O
Atomul de oxigen este legat covalent de cei doi atomi de hidrogen,
între oxigen și fiecare hidrogen este o distanță de 0,99A.Direcțiile
celor două legături O-H formează între ele un unghi de 105grd.
Cei 10 electroni ai apei sunt distribuiți astfel încât densitatea
electronică maximă se află în vecinătatea atomului de oxigen, în
consecință centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu cele negative, în
consecință molecula de apă se comportă ca un dipol electric.

11. Structura moleculei de apă
Aranjament spațial tetraedric, Dipol electric
Apa poate exista in trei stari de agregare:
 solida - gheata;
 lichida - apa;
 gazoasa - vaporii de apa.

12. Apa în stare lichidă

13. Modele ale apei lichide:
 Modelul retelei cristaline partial distruse: Datorita agitatiei termice unele
legaturi de H se rup, apar domenii microcristaline intre care circula molecule
libere
 Modelul gramezilor temporare: cooperativitate in formarea si desfacerea
legaturilor de H, apar domenii dinamice
 Modelul domeniului unic: modelul actual; un domeniu unic cu
discontinuități locale
Modelul actul:forma și dimensiunile grămezilor de molecule se schimbă
în permanență ca urmare a formării și ruperii continue de legături de hidrogen.
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 º C), Gheata cubica (temperaturi < -80 º C)
 Legaturile de H formate sunt permanente

14. Ghiața hexagonală

15. Ghiața cubică
Proprietatile fizice ale apei. Rolul apei în 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 decât cea a oricarei substante solide sau
lichide, este foarte importanta în procesele de termoreglare la nivelul
organismului viu. De exemplu, eforturi musculare intense ar putea duce la
o supraîncalzire.
- conductibilitate termica de câteva ori mai mare decât cea a majoritatii
lichidelor : “amortizor termic” al apei în organism;
- caldura latenta de vaporizare mult mai mare decât a altor lichide: factor
determinant al homeotermiei (transpiratie);
- densitate maxima la 40C – importanta pentru viata acvatica
- constanta dielectrica foarte mare – favorizeaza disociatia electrolitica
- tensiune superficială mare (fenomene interfaciale, capilaritate)
Rolul apei în sistemele biologice: apa este un component major al materiei vii.

16. Date privind compoziția în apă a unor țesuturi și organe: creier 77%, ficat
75%, plămân 81%, inimă 77%, rinichi 78%, mușchi 76%, dinte 9%, os 43%, păr
4%. Organismul uman are un mare continut în apa (65-70%). O mare parte a
apei din organism manifesta proprietăti fizice deosebite: se evapora foarte greu,
îngheata 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 număr de specii moleculare, macromoleculare si ionice, care
structurează apa din jur. O mare parte a apei intracelulare prezintă un grad
superior de ordonare. Aceasta ordonare are un rol important în desfăsurarea
proceselor celulare (excitatie, contractie, diviziune, secretie etc). O serie de
studii au arătat ca apa este “compartimentalizată”: exista apa libera, apa partial
legata si apa legata, fiecare din aceste compartimente având proprietăti specifice.
Modificări biologice induse de deuterizarea apei intracelulare
Rolul deosebit de important pe care îl joacă apa în structura și funcția
sistemelor biologice poate fi apreciat și după efectele produse de înlocuirea apei
cu apa grea. Analizând structura moleculară a apei grea, arată un grad de
ordonare mult mai ridicat. Proprietățile fizico chimice ale apei grea depind de
faptul că deuteriul realizează legături coordinative mai puternice cu elementele
electronegative de tipul O sau N și acest fapt ar putea avea ca rezultat realizarea
în celulă a unor complexe apă-proteine mai stabile. Înlocuirea apei cu deuteriul
duce la disocierea răspunsului electric de cel mecanic în fenomenul contracției
musculare, forța de contracție scade. La nivelul miocardului apar modificări
profunde evidente pe ECG. La nivelul fibrei nervoase, crește pragul de
excitabilitate al fibrei nervoase