Strung Emil

Dumitru Mihaela

BIOFIZIC I IMAGISTIC MEDICAL

Ediia a II-a, 2011

CuprinsPrefa la ediia a II-a ......................................................................................................................4 1. Biofizica: definiie, descrierea caracterului inter-disciplinar, legturile cu disciplinele nrudite...5 2. Biofizica atomic i molecular ...................................................................................................6 2.1. Noiuni de structura materiei........................................................................................................6 2.2. Structuri moleculare .....................................................................................................................9 2.3. Biofizica molecular a apei i a soluiilor apoase ......................................................................10 2.4. Noiuni de fizic sistemelor disperse .........................................................................................11 2.5. Fenomene de transport n soluii i prin membran ...................................................................12 3. Biofizica celular .........................................................................................................................18 3.1. Biomecanica ..............................................................................................................................18 a) Principalele mrimi fizice utilizate n mecanic ..............................................................19 b) Proprietatile mecanice ale corpurilor solide .....................................................................23 c) Noiuni de mecanica fluidelor ..........................................................................................25 d) Aspecte biomecanice ale contraciei musculare ..............................................................27 e) Efectele biologice ale unor factori mecanici: echilibrul corpului i mersul .....................29 3.2. Noiuni de termodinamic biologic .........................................................................................33 a) Definitii i noiuni de baz ...............................................................................................33 b) Procese termodinamice ....................................................................................................34 c) Fluxuri i fore termodinamice ........................................................................................35 d) Reglarea temperaturii corpului.........................................................................................35 e) Principiile termodinamicii ...............................................................................................40 3.3 Noiuni de bioelectricitate i bioexcitabilitate ............................................................................42 a) Fenomene bioelectrice ....................................................................................................42 b) Potenialul de repaus al celulelor .....................................................................................42 c) Poteniale de aciune ........................................................................................................44 d) Sinapsele neuronale .........................................................................................................46 e) Bioexcitabilitate ...............................................................................................................49 4. Biofizica sistemelor complexe ....................................................................................................50 4.1 Noiuni de bioacustic .................................................................................................................50 a) Definiia i propagarea sunetelor ......................................................................................50 b) Biofizica recepiei auditive ...............................................................................................54 c) Efectele biologice ale ultrasunetelor .................................................................................56 4.2. Elemente de optic biologic ....................................................................................................57 a) Anatomia ochiului .............................................................................................................57 b) Studiul ochiului din punct de vedere al opticii geometrice .............................................59 c) Biofizica recepiei vizuale ................................................................................................61 d) Bioluminiscena ................................................................................................................63 5. Recepia, transmiterea i prelucrarea informaiei din sistemele biologice ...........................63 5.1. Semnale bioelectrice ..................................................................................................................63 5.2. Culegerea biosemnalelor ............................................................................................................64 a) Electrozi ...........................................................................................................................64 b) Traductori; definiie i clasificare .....................................................................................66 c) Biosenzori .......................................................................................................................66 5.3. Sisteme de amplificare i nregistrare a biosemnalelor ..............................................................67 a) Electrocardiograma ...........................................................................................................68 b) Electroencefalograma ......................................................................................................70 c) Fonocardiograma .............................................................................................................72 d) Elecrooculograma .............................................................................................................732

e) Velocimetria Doppler .......................................................................................................74 6. Bazele fizice ale imagisticii medicale .........................................................................................75 6.1.Principiile generale ale imagisticii medicale ..............................................................................75 6.2 Rntgendiagnosticul ...................................................................................................................76 6.3.Tomografia computerizat ..........................................................................................................82 6.4. Imagistica RMN .........................................................................................................................84 6.5. Dignosticul radioizotopic ...........................................................................................................90 6.6. Ecografia (Ultrasonografia) .......................................................................................................93 6.7. Termografia ..............................................................................................................................103 7. Procedee terapeutice bazate pe factori fizici ..........................................................................104 7.1. Termoterapia ............................................................................................................................104 7.2. Crioterapia ...............................................................................................................................105 7.3. Electroterapia ...........................................................................................................................105 7.4. Ultrasonoterapia .......................................................................................................................106 7.5. Fototerapia ...............................................................................................................................107 7.6. Efectul LASER. Aplicaii medicale .........................................................................................108 8. Elemente de radiobiologie ........................................................................................................109 8.1.Radioactivitate. Radiaii ionizante ............................................................................................109 8.2. Dozimetria radiaiilor ionizante ...............................................................................................112 8.3. Interacia radiaiilor cu materia ................................................................................................114 8.4. Efectele biologice ale radiaiilor. Efectele radiaiilor ionizante asupra biomoleculelor...........117 8.5. Iradierea organismelor. Radioprotecie ....................................................................................124 9. Radioterapie ..............................................................................................................................127 9.1. Definiie i domenii de aplicare ...............................................................................................127 9.2. Tehnici de iradiere ...................................................................................................................128 9.3. Bazele clinice ale radioterapiei ................................................................................................129 10. ndrumar de Lucrri practice de laborator ..........................................................................133 A. Lucrri de biofizic ........................................................................................................134 B. Generatori de radiatii X. Instalatii radiologice medicale ...............................................153 11. Teste de verificare a cunostinelor .......................................................................................168 12. Bibliografie ............................................................................................................................176

3

Prefa la ediia a II-a O analiz a evoluiei tiinei n ultimile decenii arat c dezvoltarea ampl a cunotinelor umane a determinat apariia unor domenii de cercetare, situate la grania dintre tiinele tradiionale. Un domeniu important este cel cuprins ntre fizic i tiinele medicale, estompndu-se astfel grania dintre discipline care au fost considerate timp de secole entiti distincte, astfel nct la momentul actual, ntre aceste domenii nu mai pot fi trasate delimitri nete. Biofizica este tiina care studiaz fenomenele fizice din sistemele biologice cu ajutorul fizicii, chimiei, matematicii i tiinelor medicale. n primele trei decenii ale secolului trecut s-a cristalizat fizica radiaiilor X. Practica medical a impus utilizarea radiaiilor X n radiodiagnostic. Dup 1950 s-a pus problema cunoaterii structurii spaiale a principalelor macromolecule de interes biologic. Astzi exist un punct de vedere biofizic, unanim luat n considerare i care s-a impus definitiv n cerecetarea madical. Apariia i dezvoltarea biofizicii este o consecin a folosirii din ce n ce mai largi a medodelor i procedeelor fizicii n tiinele medicale i biologice, a necesitii unei abordri cantitive i analitice n aceste domenii. Fr a face n acest curs o prezentare detaliat a acestor tendine de integrare, a reuitelor sau inerenelor sale limitri, remarcm modul tot mai larg acceptat, c tiinele biologice trebuie s se ghideze dup conceptele fizicii i rigorile matematicii. n ultimii douzeci de ani dezvoltarea imagisticii medicale a fost mai mult dect spectaculoas: au fost dezvoltate procedurile clasice i au fost descoperite noi tehnici de investigaie. Lucrarea de fat reprezint o ncercare de a pune la dispoziia elevilor din colile postliceale sanitare un material util pentru studiul disciplinei de Biofizic i imagistic medical avnd la baz programa analitic a Ministerului Educaiei i Cercetrii, i corespunde cerinelor de a oferi viitorilor asisteni medicali generaliti elementele de baz ale acestei discipline. Volumul limitat al acestei lucrri, destul de restrns n raport cu volumul de cunostine acumulat n acest domeniu, a fost dictat n primul rnd de programa i numrul de ore afectat acestei discipline, dar i de dorina de a evita paralelismele cu disciplinele conexe. innd cont de aceste condiii s-a efectuat o selecie a cunotinelor pe care elevul trebuie s i le nsueasc i s-a procedat la formularea lor n condiii clare, astfel nct s fie nelese de oricine posed cunotine elementare de biochimie, anatomie i fiziologie, acolo unde au fost necesare exemplificri din corpul uman. Considerndu-l deosebit de util petru instrucia elevilor notri, a viitorilor asisteni medicali generaliti, manualul de fa completeaz seria de manuale necesare colii Sanitare Postliceale Carol Davila Galai ct i celorlalte forme de nvmnt postliceal sanitar. Calitatea temelor prezentate i discutarea detaliilor au fost ncadrate n limite rezonabile, autorul asumndu-i rspunderea selectrii exemplelor i sublinierii concluziilor. Prima ediie a acestui manual s-a bucurat de o audien deosebit n rndul elevilor colilor postliceale sanitare din Galai, i a determinat autorul s elaboreze o nou ediie revizui i completat. Mulumim editurii pentru utila contribuie la apariia unei cri medicale.

10 Martie 2011

Prof. Dr. Barbu LEIBOVICI Director coala Sanitar Postliceal Carol Davila Galai

4

1. BIOFIZICA 1.1. Definiie. Descrierea caracterului interdisciplinar. Legturile cu disciplinele nruditeBiofizica este o tiin cu caracter interdisciplinar, la frontiera dintre biologie (tiina care studiaz sistemele vii) i fizica (tiina care studiaz materia ca structur i micare). Cu alte cuvinte, biofizica studiaz fenomenele fizice din sistemele biologice cu ajutorul metodelor fizico-matematice. Biofizica se ocup cu dou tipuri de probleme: - studierea fenomenelor fizice care apar n sistemele biologice; - cercetarea efectelor biologice ale factorilor fizici; Pentru a descrie caracterul interdisciplinar al biofizicii precum i structura acesteia vom ine cont c ea se conecteaz cu tiintele fundamentale (matematic, fizic, chimie, biologie, cibernetic), i cu tiinele biomedicale (genetic, fiziologie, clinica medical). Problemele generale ale biofizicii sunt: - principiile i mecanismele fizice ale funcionarii sistemelor biologice; - interacia sistemelor biologice cu factorii fizici ambiani; Metodele de lucru ale biofizicii sunt cele specifice fiecrei tiine i anume metode teoretice i experimentale; aplicaiile acestei discipline le intlnim n clinic, cercetere i economie. Aceast schem de conexinuni este prezentat n fig. 1: Fig.1. Structura biofizicii i conexiunile ei cu alte domenii tiine fundamentale tiine bio-medicale Matematic Fizic Chimie Biologie Genetic Fiziologie Fiziopatologie Clinica medical

BIOFIZICA

Problematica principiile i interacia sismecanismele temelor biolofizice ale gice cu factorii funcionrii fizici ambiani sistemelor biologice

Metoda - Teoretice - Experimentale

Aplicaii - Clinice - Cercetare - Industrie i agricultur

Lund drept criteriu de clasificare nivelul de organizare al materiei, ramurile principale ale biofizicii sunt: - biofizica nuclear sau electronic; - biofizica molecular; - biofizica celular; - biofizica sistemelor complexe: esuturi, organe, organisme.5

Pe de alta parte, n sens de fizic aplicat n biologie, biofizica se poate diviza n biomecanic (locomoie, bioacustic, hemodinamic), bioenergetic (tipuri de energie i transformarea acestora), biotermodinamic, bioelectricitate, optica fiziologic, etc. n acest sens biofizica utilizeaz aproape toate capitolele fizicii clasice. Astfel studiile de biomecanic cuprind un spectru larg de probleme, de la micarea n articulaii, la locomoie, pn la motilitatea celular i la propriettilor mecanice ale componenilor celulari. Bioenergetica se ocup de utilizarea i de multiplele conversii ale energiei la nivelul sistemelor biologice. Utilizarea n biofizic a unor capitole din fizica strii lichide sau solide sau din mecanica cuantic a decurs n mod firesc odat cu abordarea unor noi probleme ca recepia energiei radiante, proprietaile biopolimerilor, sau fenomene care au loc la nivelul membranelor celulare i intercelulare.

2. BIOFIZICA ATOMIC I MOLECULAR 2.1. Noiuni de structura materieiMateria vie este alcatuit din atomi i molecule identici cu cei care alctuiesc materia moart. Aceste componente, n mod individual, posed structuri i proprieti care pot fi descrise cu ajutorul legilor fizicii i chimiei. Pentru nceput reamintim cateva noiuni de structura materiei. n concepia modern materia este format din atomi a crui structur cuprinde nucleul i nveliul electronic. Atomul este cea mai mic parte a unui element care pastreaz propritile chimice ale elementului din care provine. Nucleul este format din protoni i electroni, cu mase aproximativ egale i egale cu o unitate atomic de mas: 1 u.a.m. = 1/12 m12

= 1,662 x 10-27 kgC

(1)

nveliul electronic este format din electroni dispui pe nivele electronice. Protonii i electronii sunt particule ncrcate cu sarcin electric pozitiv, respectiv negativ egal cu sarcina electric elementar: 1e = 1,602 x 10-19 C (2) me = 1/1840 u.a.m. = 9,1.10-31 kg (2.1.) Numrul de electroni de pe inveliul electronic este egal cu numrul de protoni din nucleu, atomul fiind neutru din punct de vedere electric. Acest numr se noteaz cu Z, se numete numr atomic i coincide cu numrul de ordine al elementului din sistemul periodic Mendeleev. Neutronii sunt particule neutre din punct de vedere electric (nu posed sarcin electric). Protonii i neutronii mpreun, sunt cunoscui sub denumirea comun de nucleoni. Numrul total de nucleoni din nucleu se noteaz cu A i se numete numr de mas. El corespunde masei nucleului exprimat n u.a.m., dar reprezint de fapt masa atomului, deoarece masa electronilor de pe nveli este neglijabil n raport cu masa nucleonilor. n concluzie, atomul este format din Z protoni, A - Z neutroni, i Z electroni. Pentru caracterizarea unui atom se utilizeaz urmatoarea notaie simbolic:AZX

(3)

unde X este simbolul elementului chimic. n ordine cresctoare, dup numrul atomic Z, pe grupe i perioade, elementele chimice sunt aezate n sistemul periodic (tabelul) Mendeleev (tab. 1)

6

Tab. 1 - Sistemul periodic (Tabelul) Mendeleev

7

Primul element din sistemul periodic este hidrogenul, H (A = Z = 1), cel mai simplu element chimic, format dintr-un proton i un electron. O prim clasificare a atomilor se poate face n funcie de valorile numrului de mas, atomii de la nceputul sistemului periodic numindu-se uoare i cele de la sfrit, grele. A doua clasificare se face n funcie de valorile numrului atomic i numrului de mas, dup care avem patru categorii: a) izotopii sunt atomii caracterizati prin acelai numr de ordine dar numere de mas diferite, de exemplu 2 3 izotopii hidrogenului, deuteriu: 1D i tritiu: 1T b) izobarii sunt atomii caracterizati prin acelai numr de mas dar cu numere de ordine diferite de exemplu:27 27

Mg12

si

Al13

c) izotonii sunt atomii caracterizati prin acelai numr de neutroni dar numere de ordine i de mas diferite. Pentru aceti atomi diferena A - Z este aceeai, de exemplu:3 4

tritiu: 1T i heliu: 2He. d) izomerii sunt atomi caracterizai prin aceleai numere de mas i de ordine, dar situai n stri energetice diferite. Prin mas atomic, ma se nelege numrul de mas al elementului exprimat n kilograme. De exemplu masa atomic a aluminiului (A = 27) este: ma = 27 kg /kmol (4)

Se poate aprecia ordinul de mrime al razei atomului (dimensiunea atomului), Ra, considernd c atomii sunt sfere rigide aflate n contact. Volumul atomului este:

va =

4 3 Ra 3

(5)

i volumul unui kilomol, pentru un element n stare de agregare lichid sau solid: V = va x NA = ma / unde NA= 6,023.1026 at/kmol este numrul lui Avogadro i este densitatea materialului. Din relaiile (6) i (7) rezult : (6)

Ra = 3

3ma 4 N A

(7)

Pentru aluminiu = 2700 kg/m3, i nlocuind obinem Ra = 1,59.10-10m. Acesta este ordinul de mrime pentru raza majoritii atomilor. Nucleul, considerat sferic are volumul proporional cu numrul de nucleoni: 4 3 vn = rn = kA (8) 3 relaie din care rezult raza nucleului: rn = ro 3 A (9)unde ro = 1,45.10-15m, este raza unui nucleon. Comparnd dimensiunile razei atomului (10-10m) cu raza nucleului (10-15m), rezult c atomul are structur lacunar, format dintr-un nucleu masiv i compact, n jurul cruia se rotesc, la distane mari electronii. Principalele elemente constitutive ale materiei vii sunt elemente uoare (Z S2 prin care fluidul curge cu vitezele v1, respectiv v2. Prin seciunea S1 va trece n intervalul de timp dt volumul S1v1t, iar prin seciunea S2, volumul S2v2t. De aici: (54) S1v1 = S2v2 Aceasta este ecuaia de continuitate. De aici rezult pentru fluid n curgere staionar, n zonele ngustate viteza este mai mare dect n cele largi, ( daca S1 > S2, atunci v1 < v2). Exemplu. Sistemul circulator vascular este un sistem tubular nchis n care inima acioneaz ca o pomp care mpinge sngele n vase de sectiuni diferite, avnd pereii parial elastici. Sistemul vascular conine la om cca. 70 - 80 ml de snge pe kilogram, deci la o greutate corporal normal a unui om de 70 - 80 kg va fi cca. 5 - 6 litri de snge, brbaii au cca. cu 1 litru mai mult snge ca femeile. Nu tot sngele aflat n organism circul activ n sistemul vascular, o parte gsindu-se sub form de rezerv n organele cu structur diverticular (splin, unele vase abdominale, plexul subpapilar tegumentar). Starea fiziologic i activitatea diferitelor sisteme funcionale modific raportul dintre cantitatea sngelui circulant si cel stagnant. n timp de repaus la om, sngele circulant este repartizat astfel: 40% n sistemul muscular, 30% n sistemul nervos, renal suprarenal i tiroidian, 20% n organele abdominale i 10% n sistemul coronarian. n efortul fizic, debitul circulatoriu crete mult n muchi, plmni, rinichi, creier i n vasele coronare. n acest caz este antrenat sngele din organele de rezerv, precum i din organele care se gsesc n activitate scazuta. Am constatat ca sngele este un lichid nenewtonian si circulaia sngelui este pulsatorie, datorit ciclului cardiac. Sngele curge din locul cu presiune ridicat (aorta, 120 mmHg) spre locul cu presiune joasa, (vena cava, 10 mmHg). Se constata c n curgerea de la aort spre arterele principale, apoi de la acestea la alte artere se ramifica (ca si cum vasele ar fi legate n paralel) la arteriole i n final spre milioanele de capilare, are loc o ramificare din ce n ce mai complex a vaselor de snge, concomitent cu micorarea diametrului lor. Suprafaa total a seciunilor transversale variaz de la o poriune la alta a patului vascular. Suprafaa total a seciunii capilarelor este de cca. 750 ori mai mare dect aria seciunii transversale aortice. Ilustrarea grafica a ecuaiei de coninuitate in cazul circulatiei sanguine este prezentat in fig. 19. Se observa ca acolo unde sectiunea transversala este mare, viteza de curgere a sngelui este mica, si invers; viteza sngelui in vena cava este inferioara celei din aorta (desi sectiunile lor sunt aproximativ egale) deoarece o parte din energia cinetica a sngelui se pierde ireversibil prin frecare in patul vascular.

25

Fig. 18. Aparatul circulator

Fig.19. Variaia vitezei medii a sngelui si a sectiunii transversale la diferite nivele ale patului vascular

c.1. Ecuaia (legea) lui Bernoulli. Sa consideram un lichid aflat in curgere prntr-o conducta cu sectiune variabila (fig. 20).

Fig. 20. Curgerea unui lichid prntr-o conducta de sectiune si nlime variabila

Aplicm relaia dintre lucru mecanic i energie (47). Volumul V care intr la momentul iniial prin seciunea S1, va ajunge n intervalul t n seciunea S2. Lucrul mecanic efectuat asupra elementului V n timpul deplasrii va fi: L = (p1 - p2) V (55) Variaia energiei cinetice Ec si poteniale Ep va fi: Ec = V (v22 - v12)/2 deoarece: L = Ec + Ep, vom avea: Ep = V g(h2 - h1) (56)

(p1-p2) V = V(v22 - v12)/2 +Vg(h2 - h1) sau: p1 - p2 = (v22 - v12)/2 + g(h2 - h1) (57)

Aceasta relaie reprezint ecuaia (legea) lui Bernoulli. Termenii v1,22 /2 reprezint presiunea dinamic. Grupnd termenii n alt mod, obinem: p1 + gh1 + v12/2 = p2 + gh2 + v22 /2 = ct. sau: p + gh + v2/2 = ct unde p1,2 este presiunea static sa (exercitata asupra peretilor laterali ai conductei), gh1,2 reprezinta presiunea hidrostatica, datorata diferentei de nivel.26

(58)

La curgerea unui lichid printr-o conducta suma dintre presiunea statica, presiunea dinamica si presiunea hidrostatica ramane constanta. Aceasta relaie arat c, presiunea statica scade pe msur ce viteza de curgere crete, daca presiunea hidrostatica ramane constanta; din acest motiv se recomanda ca presiunile arteriale sa fie masurate in pozitie de decubit, sau sezanda, cu presostatul la nivelul cordului, pentru ca influen factorului hidrostatic sa fie minima. c.2. Legea lui Fick si Fourier Putem calcula rezistenta la curgerea unui lichid prntr-o conducta R , in funcie de diferenta de presiune la capetele conductei p si debitul volumic, Qv, ca fiind: (59) R = p/ Qv relaie cunoscuta in hidrodinamica sub numele de legea lui Fick si Fourier, analoga legii lui Ohm din electricitate (R = U/I). In cazul particular al unei conducte cilindrice de lungime, l, cu raza sectiunii circulare, r debitul volumic este dat de relaia lui Hagen Poiseuile:

r 4 p Qv = 8 l

(60)

Din relaiile (59) si (60) pentru rezistenta la curgere a unui lichid prntr-o conducta cilindrica rezulta: R = 8 l / r4 (61) Cum este firesc, rezistenta intampinata de fluid este proportionala cu coeficientul de vscozitate si cu lungimea conductei; dependenta de puterea a patra a razei este importanta in cazul curgerii sngelui prin vase cu sectiune variabila. Presupunand ca sub actiunea muschilor netezi, raza unui vas de snge se reduce la jumatte, din formula (61) rezulta ca rezistenta la curgere crete de 24 = 16 ori, ceea ce inseamna, conform relaiei (60), ca debitul scade de 16 ori. In consecin, prin contractii relaiv mici ale muschilor netezi se poate exercita un control in limite largi asupra rezistentei la curgere, respectiv asupra debitului circulatiei sanguine. Rezistenta la curgere a sngelui definita conform relaiilor (59) si (61) se numeste in clinica rezistenta vasculara si se masoara in unitati de rezistenta periferica (URP): 1 URP = 1 torr/ 1 ml s-1 In mod normal, presiunile auriculare sunt pad =100 torr si pas =10 torr, la un debit al circulatiei sanguine Qv = 80 ml/s. In aceste condiii rezistenta normala la curgere in patul vascular este : Rn = ( pad - pas) / Qv = 1,1 URP In caz de efort fizic intens pad = 150 torr, iar debitul crete la 250 ml/s, ceea ce inseamna ca rezistenta vasculara scade la jumatte ( Re = 0,5 URP). La hipertensivi pad = 200 torr, pas = 10 torr si Qv = 80 ml/s, rezistenta vasculara se dubleaza. Aceste concluzii sunt prezentate in tab. 9 : Tab. 9. Rezistenta vasculara pas (torr) Debitul (ml/s) Rezistenta vasculara (URP) 10 80 1,1 10 250 0,5 10 80 2,3

Starea Normal Efort Hipertensivi

pad (torr) 100 150 200

Prin administrea unor medicamente vasodilatatoare, diametrul intern al vasului crete; creterea diametrului determina micsorarea rezistentei vasculare, deci imbunattirea circulatiei sngelui. d) Aspecte biomecanice ale contractiei musculare Sistemul biologic capabil sa transforme energia chimica in lucru mecanic si sa genereze astfel forta si micare poarta numele de sistem contractil. Toate formele de viata se caracterizeaza prin prezenta unor sisteme contractile. Datorita lor devin posibile micrile citoplasmei, diviziunea celular si desfasurarea functiilor celulelor musculare.27

In ansamblu, deosebim micrile realizate prin pseudopode (micarea amiboidala, micrile realizate prin prelungiri celulare permanente (flageli sau cili) si micri datorate musculaturii. Cel mai perfectionat tip de sistem contractil este acela al musculaturii striate. d.1. Elemente de structura a muschilor striati Unitatea morfo-functionala a muschilor striati este sarcomerul, o celula fr nucleu, alcatuita din doua tipuri de filamente proteice, dispuse longitudinal in masa sarcoplasmatica, a carui lungime in strare relaxata, la homeoterme, este de 2,4 m. (fig. 21):Sarcomer relaxat Sarcomer contractat

a) b) Fig. 21. Alcatuirea unui sarcomer: a) sectiune longitudinala, b) sectiune transversala

Fig.22. Viteza de scurtare a muschiului in funcie de forta de contractie

In compunerea sarcomerului se gasesc filamente groase cu diametru de aproximativ 0.01m si o lungime de 1,5 m. Ele sunt constituite din molecule de miozina (proteina fibrilara cu masa moleculara de 800.000 kg/kmol). Cateva mii de molecule sunt reunite intr-un singur filament, dispus in portiunea centrala a sarcomerului. In jurul filamentelor groase se grupeaza cate sase filamente subtiri care au un diametru de 0,005 m si o lungime de 1 m din actina, o proteina cu masa moleculara de 70.000 kg/kmol. Cateva mii de astfel de sarcomeri sunt reunite pentru a forma o fibra musculara. Mai multe fibre musculare formeaza un muschi. Fibrele musculare sunt ntr-o stransa legatura att cu sistemul vascular, ct i cu cel nervos. Contracia fibrei musculare implic trei etape succesive:1) excitaia fibrei; 2) cuplajul excitaie - contracie;3) contracia propriu-zis a fibrei. Comanda (excitatia) activitatilor musculare se face printr-un impuls nervos de la un neuron (axon motor), transmis de fibra musculara pe care o inerveaza. Un axon inerveaza de la 3 pana la 150 fibre musculare si alcatuiesc impreune o unitate motorie. Cuplajul se face prin intermediul unui lant de sinapse, numit placa motorie. Prin hidroliza ATP se produce energie, fibrele musculare se contracta, dezvoltand astfel o forta activa. Contractia se produce prin alunecarea filamentelor de actina peste filamentele de miozina, in stare contractata sarcomerul avand lungimea de 1,8 m, si sectiunea transversala crete. In consecin, contractia are ca rezultat scurtarea muschiului si apariia unei forte data de relaia (29) si lucrul mecanic dezvoltat de muschi este dat de relaia (43). Capacitatea de a exercita o forta intre punctele sale de insertie si de a efectua lucru mecanic reprezinta proprietatea fundamentala a muschiului. Forta dezvoltata de un muschi asupra insertiei sale poate fi destul de28

mare. De exemplu, in cazul unui ritm moderat de mers, tricepsul sural exercita o forta egala cu de patru ori mai mare dect greutatea corpului, iar in timpul alergarii o forta de sase ori mai mare dect greutatea. d.2. Relaia fora-vitez de scurtare. Formula lui Hill Viteza de scurtare a unui muchi depinde de fora exterioar ce trebuie nvins (deci de fora de contracie la un moment dat). Astfel, un obiect uor este ridicat mai rapid, unul mai greu, mai lent. Ecuaia care reprezint acest proces, pleaca de la faptul ca putera mecanica dezvoltata de un muschi, egala cu produsul dintre forta si viteza de scurtate, este constanta si este cunoscuta sub numele de formula lui Hill: (F+a) (v+b) = (Fmax +a) b = a(vmax+ b) = ct (62) Aceasta este ecuaia unei hiperbole (fig.22), in care: F este fora de contracie; v este viteza; a,b, - constante (a are dimensiunea de for, b de vitez); Fmax - fora maxim dezvoltat de muchi. Scurtarea fr sarcina (F=0) este rapida (v = vmax) si contractia se numeste izotona, deoarece muschiul nu dezvolta o forta si nu efectueaza lucru mecanic. Atunci cand F = Fmax si v = 0, de asemenea muschiul nu efectueaza lucru mecanic, deoarece nu se scurteaza si dezvolta numai o forta activa. Acest tip de contractie se numeste izometrica. Intre aceste doua limite se situeaza domeniul contractiilor fiziologice normale (auxotonice). La fore mari de contractie poate apare ruperea fibrelor musculare i nu se mai respect relaia lui Hill. Aceste consideratii sunt sintetizate in tab. 10 . Tab. 10. Clasificarea contractiilor musculare Functia Viteza de Forta de Lucrul mecanic scurtare contractie efectuat Deplasare rapida v=vmax F=0 L=0 Deplasare 0 0, ceea ce inseamna ca aportul este mai mare dect consumul, este cazul obezitatii sau convalescentei; c) daca bilantul este negativ, B(E) < 0, ceea ce inseamna ca aportul este mai mic dect consumul, este cazul subnutritiei sau al unor boli. Cu cat procesele metabolice in organism sunt mai active, cu att caldura produsa va fi mai mare, ca de pilda in perioadele de cretere, convalescenta sau unele afectiuni in care apar dezechilibre intre anabolism si catabolism (de ex. boala Basedow). Intre rata metabolismului bazal, M, si greutatea corporala, G, avem o relaie logaritmica: log M = a + b log G unde a si b sunt constante caracteristice organismului respectiv. Principiul II al termodinamicii Principiul II al termodinamicii generalizeaz constatarea practic a imposibilitii ca o main termic s transforme integral cldura n lucru mecanic (perpetuum mobile de speta a II-a), randamentul de transformare fiind ntotdeauna subunitar (< 1). Exist mai multe formulri ale principiului II. n varianta care indic sensul spontan al desfurrii roceselor termodinamice, principiul II se numete principiul creterii entropiei. Conform acestei variante, procesele ireversibile care se desfoar spontan n sistemele termodinamice izolate au acel sens care duce la creterea entropiei. S > 0 (82) Entropia este un parametru de stare care msoar gradul de dezordine a unui sistem termodinamic. Ea poate fi definit n dou moduri, unul macroscopic (Clausius) i al doilea microscopic (Boltzmann). (1) Conform modului macroscopic n care a fost introdus iniial acest concept, dac o cantitate de cldur Q este absorbit reversibil de ctre un sistem, la temperatura constanta T (izoterm), se definete o funcie de stare S, care crete cu S, n modul urmtor: S = Q/T (83) (2) Boltzmann a artat c entropia exprim n mod nemijlocit alctuirea atomo-molecular a sistemului i anume, gradul de ordonare a ansamblului de particule din care este alctuit. Dac41

avem N particule identice (atomi, molecule) distribuite nivele energetice distincte, cte Ni pe fiecare nivel, entropia ansamblului va fi: S = - k ( Ni/N) ln (Ni/N) (84) unde k este constanta lui Boltzmann (k = R/NA = 1,3810-23 J/K), iar Ni/N = pi este probabilitatea de ocupare a nivelului i, cu Ni = N. nlocuind n funcie de probabilitate, obinem: (85) S = - k pi ln (pi) ntr-un sistem ordonat sunt posibile foarte puine stri, doar cteva probabiliti sunt diferite de zero i S va avea o valoare foarte mic. ntr-un sistem dezordonat exist o distribuie haotic a particulelor, numrul de stri posibile este foarte mare i S va avea o valoare maxim. Pentru un sistem total dezordonat N1 = N2 = ... = Ni = 1, i n acest caz: S = k ln N (86) unde N este probabilitatea termodinamic a strii - numrul de aranjamente ale particulelor care dau aceeai stare. n cazul unui sistem perfect ordonat (cristal perfect), N = 1, si deci : S=0 (87) Aplicatii ale principiului II in biologie. Termodinamica se ocup cu relaiile existente ntre parametrii unui sistem atunci cnd acesta se gsete n stare de echilibru termodinamic, deci cnd nu se desfoar nici un fel de proces, sau atunci cnd sistemul trece prntr-o succesiune coninu de stri de echilibru, suferind o transformare reversibil. Dar procesele reversibile reprezint doar o noiune ideal, o abstractizare, ce nu i poate gsi dect corespondente aproximative n natur. n particular, toate sistemele biologice sunt deschise, avnd loc permanent schimburi de substane i energie cu exteriorul, iar aceste schimburi reprezint n mod esenial procese ireversibile. Datorit acestui fapt, aplicarea efectiv a termodinamicii n biologie a fost posibil numai dup apariia n ultimele decenii a termodinamicii proceselor ireversibile. Ca o consecin principiului II al termodinamicii am vazut ca pentru un sistem izolat entropia sa crete. Principalele substane luate de animale din mediul exterior, cum sunt oxigenul si glucoza, au entropii mai mici, in comparatie cu substanele rezutate din oxidare, apa si dioxidul de carbon (tab.13), ca si cum animalele s-ar alimenta cu entropie negativa, ceea ce aparent contrazice princiul II al termodinamicii. Organismele vii au proprietatea de a crete si a se dezvolta prin sintetizarea de macromolecule cu o structura complexa si ordonata; din punct de vedere termodinamic, aceasta inseamna ca sistemul devine mai ordonat, deci entropia scade. Contradictia este aparenta, deoarece entropia crete numai pentru sistemele izolate. Organismele insa sunt sisteme deschise si faptul ca entropia lor scade, duce implicit la o cretere a entropiei mediului exterior, astfel nct in ansamblu se realizeaza o cretere a entropiei ( S > 0). Tab.13. Entropiile principalelor substanelor metabolizate Asimilate Eliminate Substana Glucoza Oxigen Apa CO2 Entropia (S) (kcal/mol.K) 50,7 48,9 49,0 51,1

3.3. Notiuni de bioelectricitate i bioexcitabilitatea) Fenomene bioelectrice. Prezena, att n citoplasma oricrei celule, ct i n fluidele extracelulare, a numeroase tipuri de atomi i molecule ionizate, deci ncrcate electric, i faptul c activitatea metabolic menine diferene de concentraii ale acestor ioni, fac ca fenomenele electrice s fie proprii tuturor celulelor. b) Potenialul de repaus al celulelor (PR) O caracteristic de baz a unei celule vii este existena unei diferene de potenial electric ntre faa extern i cea intern a membranei celulare. n interiorul celulei, respectiv n mediul interstiial, potenialul este diferit. Deci diferena de potenial se stabilete ntre aceste medii. Aceast diferen de potenial se numete potenial de repaus celular (PR), (spre deosebire de cel din timpul activitii). Are valori cuprinse ntre - 50 si -100 mV. Pentru a explica modul n care apare PR se42

vor analiza doua sisteme bicompartimentale simple dintre care ultimul este apropiat de sistemul citoplasm lichid interstiial. Cazul 1. Sistemul este format din doua compartimente separate prntr-o membrana selectiv permeabila. Se consider c n compartimentul din stnga al sistemului din fig 33. se gsete o soluie de KCl si anioni nedifuzabili pein membrana (A-Z), iar in cel de-al doilea apa distilata. Conform legilor difuziei va aprea un flux de ioni de K+ si de Cl prin membrana catre compartimentul in care se afla apa distilata.

Fig. 33. Potentialul de difuzie

Fig. 34. Distributia ionilor in interiorul si exteriorul sarcomerului (fibra musculara)

Apare o diferen de potenial ntre cele dou compartimente, numit potenial de difuzie. La echilibru diferenta de potential este data de ecuaia Nernst-Donnan:

K+ RT E = ln + F K

unde [X+-]1,2 reprezinta concentraiile ionilor in compartimentele 1 sau 2, R este constanta universala a gazelor, F = NA.e = 96.500 C/mol, este numarul lui Faraday si T este temperatura absoluta la care se desfasoara procesul. Deoarece anionii nedifuzabili nu pot traversa membrana, presiunile osmotice pe cele doua fete ale membranei vor fi diferite, presiunea osmotic fiind mai mare in compartimentul din dreapta. Cazul 2. Se consider un montaj analog cu cel din cazul 1, dar care conine n compartimentul al doilea un ion nedifuzibil prin membran, de exemplu Na+. De exemplu, n sarcomer (element constituent al fibrei musculare) exist urmtoarea distribuie a ionilor (fig.34). Deoarece numrul de particule n unitatea de volum este acelai, presiunea osmotic este aceeai n ambele compartimente (izotonicitate). Msurarea PR. PR poate fi msurat direct, cu ajutorul microelectrozilor de sticl, sau indirect, prin utilizarea unor substane fluorescente ionizate (de exemplu tiocianatul). Microelectrodul de sticl este o pipet obinut prin tragere la cald, avnd vrful mai mic de 0,5 m. Strpungerea membranei cu acest microelectrod nu lezeaz considerabil membrana, iar contactul de scurtcircuitare ntre citoplasm i fluidul extracelular nu are loc deoarece membrana se strnge n jurul vrfului de sticl (din cauza tensiunii superficiale). Microelectrodul este umplut cu o soluie de electrolit (de obicei KCl, 3M). Se msoar diferena de potenial ntre microelectrodul introdus n celul i un electrod de referin, nepolarizabil (de calomel). Circuitul electric echivalent pentru descrierea potenialului de repaus celular. Membrana celular (bistratul lipidic) se comport din punct de vedere electric ca un izolator. Deoarece suprafaa bistratului este de 200 de ori mai mare dect suprafaa canalelor ionice, se poate vorbi despre o capacitate electric a membranei celulare. Capacitatea electric reflect proprietatea membranei de a menine o ncrcare electric de semne contrare pe cele dou fee ale ei. Capacitatea electric a membranei, CM are valori n jur de 1 F/cm2. Dac se noteaz cu EK, ENa, ECl, potenialele de echilibru electrochimic ale diferiilor ioni i cu RK, RNa, RCl, rezistenele canalelor specifice n serie cu E, se obine o baterie de trei elemente legate n paralel a crei tensiune electromotoare echivalent va fi:43

[ ] [ ]

1 2

Cl RT = ln F Cl

[ ] [ ]

1 2

(88)

E K E Na E Cl + + R K R Na RCl g E + g Na E Na + g Cl E Cl Em = = K K 1 1 1 g K + g Na + g Cl + + R K R Na RCl

(89)

unde se noteaz cu g conductana care este inversul rezistenei: g =

1 . Aceast relaie red mai R

corect dect ecuaia Nernst-Donnan valorile experimentale ale potenialului celular de repaus. Em tinde s devin egal cu Ei al acelui ion pentru care conductana este mult mai mare dect a celorlali ioni (de exemplu K+). c) Potenialul de aciune celular. La toate metazoarele sistemul nervos periferic i central constituie o vast reea de comunicaie n cadrul organismului, reea n care pentru transmiterea semnalelor este utilizat un fenomen de natur bioelectric, influxul sau impulsul nervos. Impulsul nervos reprezint variaia tranzitorie i propagabil a potenialului de membran al fibrelor nervoase, numit potenial de aciune (PA), produs de un stimul (uneori exist i o activitate celular spontan). Potenialul de aciune este o depolarizare trectoare a membranei celulare prin care interiorul celulei devine mai puin negativ dect n stare de repaus i diferena de potenial de-o parte i de alta a membranei celulare scade. Declanarea potenialului de aciune se realizeaz prin deschiderea porilor unor canale cationice sau anionice. Apar fluxuri de ioni care determin producerea unui semnal electric. Ionii implicai sunt n special ionii de Na+ (n faza ascendent a PA) i de K+ (n faza descendent). n celula muscular, n faza ascendent sunt implicai ionii de Ca++. 1. Potenialele de aciune locale (PA-l) se obin la stimuli depolarizani de intensitate mic, avnd valoarea sub cea a unei valori numit valoare prag. Aceti stimuli sunt numii stimuli subliminari (sub prag).

Fig. 35. Stimularea si potentiale de actiune

2. Potenialele de aciune tot-sau-nimic (PA-tn), (fig.36) se declaneaz atunci cnd intensitatea stimulului atinge o valoare critic de prag sau prag de detonare, deci cnd aceasta are valori limita sau supralimita. Se produce potenialul de vrf (spike) al fibrei nervoase variaie ampl a potenialului celular n urma creia interiorul celulei devine pozitiv (+30mV). Amplitudinea acestuia este de 120mV. Odat declanat, indiferent de amplitudinea stimulului, amplitudinea PA-tn rmne constant. Deci PA-tn este caracterizat de urmtoarele: - amplitudine constant (nu depinde de intensitatea excitantului atunci cnd stimulii sunt liminari sau supraliminari); - se propag pe distane mari, cu viteze mari i fr pierderi (nedecremental); - amplitudinea potenialului de vrf, pragul i viteza de propagare sunt caracteristici ale fibrei (sau celulei). Toate celulele vii posed reactivitate, rspunznd la aciunea unui stimul. Capacitatea de a rspunde prin poteniale de aciune locale, pe care o au toate celulele vii, se numete iritabilitate. Proprietatea de a rspunde prin poteniale de aciune tot sau nimic se numete excitabilitate i se ntlnete la trei tipuri de celule: celulele nervoase, musculare i glandulare.44

Fazele potenialului de aciune. ntre momentul aciunii excitantului i rspunsul celulei exist un interval de timp, caracteristic fiecrui tip de celule, numit perioad de laten. Prima faz a potenialului de aciune este reprezentat de un potenial local i se numete prepotenial. Faza urmtoare este potenialul de vrf, cu fazele ascendent i descendent. Faza a treia este alctuit din postpotenialele pozitiv i negativ. Din punct de vedere funcional se disting dou perioade refractare, perioada refractar absolut, n care celula nu poate fi excitat, n faza ascendent i parial n faza descendent, i perioada refractar relaiv, n care excitabilitatea este redus.

Fig. 36. Fazele potentialelor de actiune

Atunci cnd asupra fibrelor nervoase acioneaz un stimul de durat are loc o acomodare manifestat prin creterea pragului de excitabilitate. Acomodarea poate fi rapid (fibrele din nervii motori) sau lent (unele fibre senzitive). Evenimentele n PA (la nivel molecular) La intrarea n canalul ionic se gsesc grupri polare sensibile la modificrile de potenial. Canalele de Na au att pori externe ct i pori interne, cu sensibiliti diferite la modificrile de potenial. n stare de repaus, porile externe sunt nchise, iar cele interne deschise. Ionii de Na, aflai n concentraie mare n mediul extracelular, sunt atrai de interiorul electronegativ al celulei. Stimulii de intensitate mic determin deschiderea unui numr redus de canale de Na. Prin intrarea Na n celul scade electronegativitatea citoplasmei i atunci cnd se ajunge la cca. 60 mV se deschid porile canalelor de K sensibile la voltaj. Ionii de K ies din celul, se restabilete valoarea potenialului de repaus. Concentraiile ionice caracteristice strii de repaus se refac prin aciunea pompelor ionice (Na,K sau ATP-aza). Acesta este mecanismul de producere a unui potenial de aciune local (PA-l). La creterea intensitii stimulului se vor deschide mai multe canale de Na, iar la depirea pragului de detonare are loc procesul de ptrundere n avalan a ionilor de Na. Cu ct ptrund mai muli ioni n celul, cu att se accentueaz depolarizarea membranei i prin aceasta se deschid mai multe pori externe ale canalului de Na (feed-back pozitiv). Valoarea potenialului celular atinge zero i apoi interiorul se pozitiveaz pn la +30 mV. Acesta este potenialul de aciune tot-saunimic PA-tn. Se tinde astfel spre valoarea potenialului de echilibru al Na, dat de relaia Nernst, care este de + 50 mV. Aceasta ar duce la distrugerea celulei, proces mpiedicat de dou evenimente: 1) la o anumit valoare a potenialului celular se nchid porile interne ale canalelor de Na (care erau deschise) i nceteaz ptrunderea n avalan a ionilor de Na. Se produce inactivarea canalului de Na; 2) al doilea eveniment const n deschiderea porilor canalelor de K, proces mai lent, de asemenea dependent de valoarea potenialului celular. Ionii de K, n concentraie mai mare n interior dect n exterior vor prsi celula att sub influena gradientului de concentraie ct i sub aceea a gradientului de potenial electric. n termeni de conductane se poate spune c procesul de cretere a conductanei pentru Na (gNa) este scurt i este urmat de creterea conductanei pentru K(gK). n acest mod, se revine la45

valoarea potenialului de repaus PR (intre -80 si -90mV). ntregul proces dureaz circa 1 ms. Revenirea la situaia caracteristic strii de reapus se face prin aciunea pompelor ionice i prin transport pasiv. Propagarea PA. La producerea PA are loc o modificare local a distribuiei de sarcini electrice; aceasta modificare de polaritate duce la apariia unor cureni electrici locali ntre zona activ i zonele nvecinate, numiti curenti locali Hermann.

Fig. 37. Curentii locali Hermann

Fig. 38. Axon inconjurat de teaca de mielina, intrerupta de nodurile Ranvier.

Pentru apariia unui nou PA trebuie ca intensitatea acestor cureni n zonele din margine s depeasc pragul de detonare. Datorit rezistenelor ntlnite, intensitatea curentului local scade cu distana. Se demonstreaz c distana la care amplitudinea PA se reduce la jumtate (d) prin cderile de tensiune pe rezistene este:

d

Rm Ri

(90)

cu Rm este rezistena electric transmembranar pe unitate de lungime a membranei si Ri este rezistena pe unitatea de lungime a lichidului intracelular. Se consider c rezistena lichidului extracelular este neglijabil. Ri crete cu scderea diametrului fibrei. Cu ct distana maxim la care se atinge pragul de detonare este mai mare, cu att crete viteza de propagare. Propagarea se face n mod diferit, n funcie de tipul fibrei. 1) Fibre nemielinizate: propagare recurent (din aproape n aproape) se face prin cureni locali Hermann ce traverseaz ntreaga suprafa a membranei axonale i se nchid prin axoplasm i lichid interstiial (spre centru n exterior i invers n interior, fig. 37). 2) Fibre mielinizate: prin conducere saltatorie. Teaca de mielin care are rol izolator. este ntrerupt la nodurile Ranvier i acolo se poate face contactul electric dintre mediul extra celular si cel intra-extracelular. Curenii locali nu traverseaz toat suprafaa membranei, ci sar de la un nod la cellalt, nchizndu-se prin axoplasm i lichidul extracelular. O dovad a acestui lucru este faptul c narcotizarea nodului blocheaz propagarea impulsului, n timp ce narcotizarea internodului nu o blocheaz (fig.38). Propagarea este regenerativa, fr atenuarea semnalului, acest lucru putand fi explicat prin faptul ca ceea ce se propaga este excitatia si nu semnalul electric, aceasta avand doar rolul de a declansa un nou potential de actiune consumand energie metabolica. Viteza de propagare a impulsului nervos crete fie prin micsorarea rezistentei lichidului intracelular, fie prin marirea rezistentei transmembranare. d) Sinapsele neuronale Sinapsa este regiunea de comunicare dintre doi neuroni, sau un neuron i un organ efector (muchi, gland etc.). De cele mai multe ori transmiterea impulsului nervos se realizeaz printr-un mecanism chimic (sinapsa chimica) si in acest caz membrana postsinaptic nu este excitabil electric; rareori printr-un salt electric, si atunci membranele pre si postsinaptice sunt excitabile electric (sinapsa electrica). In concluzie, distingem doua tipuri de sinapse: chimica si electrica. Denumirea de "sinaps" a fost dat de Sherrington n 1897, i, iniial, se referea la locul de contact dintre doi neuroni. Santiago Ramn y Cajal a adus la nceputul secolului trecut argumente pentru ntreruperea sistemului nervos la nivelul acestor sinapse. n 1921, a fost dovedit existena mediatorilor chimici de ctre Otto Loewi. Anul 1954 a fost marcant pentru istoria sinapsei, deoarece46

G. E. Palade, romnul care a luat i premiul Nobel pentru medicina, a studiat ultrastructura sinaptic cu microscopul electronic. Sinapsa chimica. Axonul se termin ntr-o poriune lrgit care se numete buton sinaptic. Butonul sinaptic are o poriune de membran ngroat unde se pierde mielina, denumit membran presinaptic. Organitele predominante din butonul sinaptic sunt mitocondriile. De asemenea, aici se gsesc i veziculele care stocheaz mediatorii chimici (fig. 39). ntre membrana presinaptic i cea postsinaptic exist un spaiu liber cu o grosime de aproximativ 10 - 30 nm, denumit fant sinaptic. n acest spaiu se gsete lichid extracelular. A treia component este cea postsinaptic i este reprezentat de regiunea receptoare a celui de-al doilea neuron (sau muchi, gland, etc.). i aici exist o poriune mai ngroat de membran plasmatic, numit densitate postsinaptic. Pe aceast densitate postsinaptic se aglomeareaz receptorii pentru mediatorii chimici. Aceti receptori sunt formai dntr-o component care fixeaz molecula de mediator chimic i o component reprezentat de un canal ionic. Aceste canale ionice, care se deschid numai sub aciunea mediatorului chimic specific, determin depolarizarea celulei postsinaptice.

Fig.39. a) Sinapsa chimica. A) componenta; presinaptic B) componenta postsinaptic .

b) Sinapsa electrica

Sinapsa chimic are urmatoarele elemente: regiune presinaptic cu membrana presinaptic (ramificaii axonale butoni terminali, vezicule sinaptice), spaiu sinaptic (20-50 nm), regiune postsinaptic cu membrana postsinaptic (n care se afl receptori i canale ionice). Conductia este unidirecionala. Funcionare, etape: sintez mediator, eliberare mediator, difuzie prin spaiul sinaptic, legare de receptori, depolarizare, inactivare, revenire. n apropierea membranei presinaptice exist un mare numr de vezicule cu mediator chimic. La sosirea unui PA local (depolarizare), membranele unor vezicule (cca 40nm) fuzioneaz cu membrana presinaptic i coninutul este expulzat prin exocitoz n spaiul sinaptic (semnalul electric PA este tradus n semnal chimic). Moleculele de mediator (mesager prim) se combin cu moleculele receptoare din membrana postsinaptic, activndu-le. Acestea vor comanda deschiderea porilor canalelor ionice. n celula postsinaptic vor intra ioni i n acest fel este generat un PA local. Semnalul chimic este transformat n semnal electric. Conform teoriei cuantice a transmisiei sinaptice, eliberarea mediatorului se face sub form de cuante. O cuant (coninutul unei vezicule) cca. 104 molecule de acetilcolina. Prin spargerea unei vezicule se produce un PA-l miniatural. Prin nsumarea mai multor PA-l miniaturale apare un PA-l postsinaptic ce se deplaseaz decremental spre axon. PA locale aprute simultan n mai multe puncte sau n acelai punct la intervale mici de timp pot da natere unui potenial mai amplu prin sumaie spaial i/sau temporal. Sinapsa electrica funcioneaz fr mediatori chimici. Sinapsele electrice nu sunt att de rspndite ca sinapsele chimice. Conductia este bidirecionala. Se gsesc, de exemplu, n anumite pri ale creierului sau ntre celulele receptoare i cele orizontale n rein. Funcionare: ntre canalele membranei presinaptice i postsinaptice exist o contiguitate, ceea ce face ca o variaie de potenial la nivelul membranei presinaptice s induc o variaie similar n membrana postsinaptic. Transmiterea fiind direct este foarte rapid. n timp ce n sinapsa chimic ntrzierea este de 0,5 47

5 ms, n cea electric transmiterea este practic instantanee. Spre deosebire de sinapsa chimic, n sinapsa electric nu se poate face o gradare n intensitate. Este important n cazul sincronizrii unui numr mare de celule efectoare. Mecanismul transmiterii sinaptice chimice se desfoar n urmatoarele sase etape: 1. sinteza mediatorului - mediatorii sunt produi att la nivelul butonului terminal, ct i n corpul celular; 2. stocarea mediatorului - mediatorul se stocheaz n principal n butonul terminal, pentru a fi pregtit n momentul n care trebuie transmis semnalul; 3. eliberarea mediatorului - cnd depolarizarea neuronului presinaptic (care a primit la rndul lui un semnal) ajunge la butonul terminal, i determin exoctioza, adic expulzarea coninutului veziculelelor. Apoi, veziculele goale vor fi "reciclate" prin ncorporarea lor n membran, din care se vor forma, la un moment dat, alte vezicule; 4. traversarea spaiului sinaptic; 5. aciunea postsinaptic - se face prin cuplarea moleculei de mediator cu receptorul specific, ceea ce determin modificri n structura postsinaptic; 6. inactivarea mediatorului - este important pentru ca circuitul s se poat relua la apariia unui nou stimul. Aceasta se poate realiza prin inactivarea enzimatic postsinaptic sau transsinaptic (prin enzime care distrug mediatorul), captarea postsinaptic (captarea n citoplasma postsinaptic i inactivarea sa), difuzia extrasinaptic (inactivarea n afr spaiului sinaptic) i recaptarea (captarea mediatorului de zona presinaptic). Sinapsele chimice nu sunt statice, nu sunt nite simple pori prin care trec mediatorii. Ele ii pot modifica permanent funcionalitatea, pot fi nlocuite, pot crete sau scade n numar. Plasticitatea sinaptic const n principal n trei lucruri: 1) calitatea i cantitatea mesagerilor eliberai; 2) calitatea i numrul receptorilor postsinaptici; 3) modificarea dimensiunii fantei sinaptice. Lezarea sau distrugerea sinapsei duce la refacerea acesteia n aprox. 35 - 40 de zile. Dac, de exemplu, se trece de la un mediu banal la unul complex, crete numrul sinapselor cu peste 10%. Din aceast cauz este recomandat ca stimularea copiilor s fie fcut prin mijloace ct mai diverse, deoarece sinaptogeneza (adic formarea noilor sinapse) este pregnant la copii, fa de neurogenez, care aproape c dispare dup natere (majoritatea neuronilor se produc nainte de natere). Evoluia cognitiv (procesele gndirii etc.) este strns legat de dezvoltarea sinapselor. Este important ca stimularea s se menin, mai ales pn la vrsta adult, deoarece sinapsele create, care nu se mai folosesc, se distrug n timp. Putem face o clasificare a sinapselor dup trei criterii: al modalitii de transmitere, al neurotransmitattorului si din punct de vedere structural. 1. Din punct de vedere al modalitii de transmitere in funcie de natura sinapsei distingem: - sinapse chimice, la care propagarea impulsului nervos se face ntr-o singur direcie (unidirecional). Moleculele de mediator se combina cu moleculele receptoare din membrana post sinaptica, activandule. Acestea vor comanda deschiderea portilor canalelor ionice. In celula post sinaptica vor intra ioni si ia acest fel este generat PA-l. Semnalul chimic este transformat in semnal electric. Datorita faptului ca mediatorul trebuie sa strabata spaiul sinaptic dintre cele doua celule adiacente si intarzierii eliberarii mediatorului fata de momentul sosirii potentialului de actiune sinapsa chimica introduce o ntrziere sinaptic de circa 0,3 5 ms. - sinapse electrice ; in general au o fant sinaptic foarte redus (2-4nm) prezentand o coninuitate a citoplasmei intre celula presinaptica si cea post sinaptica, prin care ionii pot circula foarte uor. Datorita acestei coninuitati, o variaie de potential la nivelul membranei presinaptice induce o variaie similara in membrana postsinaptica. Transmiterea este directa si de aceea foarte rapida. In sinapsele electrice transmiterea este bidirecionala. Se mai numesc i gap junction. Aceste sinapse sunt foarte rare. 2. Din punct de vedere al neurotransmiatorului sinapsele chimice se clasifica astfel: 1) colinergice - acetilcolin; 2) sinapse adrenergice - noradrenalin; 3) dopaminergice dopamin; 4) serotoninergice - serotonin; 5) gabaergice GABA. 3. Din punct de vedere structural: - tipul I, sinapse axo-dendritice (ntre un axon i o dendrit), cu o fant mai mare de 30 nm; - tipul II, sinapse axo-somatice, cu o fant mai ngust, de 20nm;48

- tipul III, sinapse cu o fant de 2-4 nm (de exemplu gap junctions). Caracteristicile fiziologice ale sinapsei - oboseala sinaptic, adic dup o stimulare repetitiv a unei sinapse excitatorii, descrcrile scad n frecven; - facilitarea posttetanic, adic dac se stimuleaz o sinaps repetat i rapid, dup care se face o pauz, neuronul va fi mai sensibil pentru o perioad de timp; - vulnerabilitatea la hipoxie, adic n lipsa oxigenului nu se mai realizeaz transmiterea sinaptic, deoarece fr oxigen nu se pot sintetiza unele substane ca de exemplu ATP-ul; - sumarea temporal i spaial, adic o serie de stimuli slabi venii unul dup altul se pot suma i crea o descrcare; respectiv un numr de stimuli se pot suma spaial n cazul n care acioneaz concomitent; - fenomene de convergen i ocluzie, adic facilitarea unei sinapse se poate realiza dac acioneaz mai muli neuroni pe unul singur; respectiv fenomenul opus; - fenomenul de postdescrcare, adic dup o stimulare, descrcarea coninu pentru o vreme. e) Bioexcitabilitatea Excitantul sau stimulul reprezinta o variaie suficient de intens, ndelungat i brusc a proprietilor mediului, care poate s produc excitarea sistemului biologic. Parametrii unui stimul (excitant) sunt urmtorii: form, amplitudine, durat, frecven de repetiie (fig.40):

Fig. 40. Stimuli : a) forma; b) amplitudune si durata; c) repetitie. Excitarea reprezinta fenomenul prin care excitantul modific permeabilitatea membranei celulare pentru ioni (nchiderea sau deschiderea canalelor ionice). Un factor fizic sau chimic este excitant dac este capabil s determine ntr-un fel sau altul deschiderea porilor canalelor ionice . Excitaia celular reprezinta totalitatea fenomenelor care au loc n celul ca urmare a excitrii acesteia de ctre factorii excitani. Excitaia are aspecte: electrice (PA), optice (modificri ale transparenei, refringenei i activitii optice a celulei), radiante cum ar fi emisie de radiatii infrarosii (IR), vizibile sau ultraviolete (UV), chimice (hidroliza ATP, producere de NH3 etc.), calorice (producere i absorbie de cldur). Excitabilitatea este proprietatea unui sistem biologic de a rspunde prin excitaie (potentiale de actiune tot sau nimic) la aciunea excitanilor (stimulilor). Cantitativ, excitabilitatea se evalueaz cu ajutorul mrimilor numite reobaz i cronaxie. Reobaza este intensitatea minim a unui excitant (stimul) cu durat de aciune foarte mare (teoretic infinit) care poate s declaneze excitaia n sistemul biologic. Cronaxia este durata minim a unui excitant de intensitate egal cu dublul reobazei pentru care acesta poate produce excitarea. Relaia lui Weiss stabileste legatura ntre valorile intensitii i duratei unui stimul care poate produce excitarea unui sistem biologic: i = a/t + b (91)

49

unde a, b sunt constante ce depind de sistem. Pentru t , i = b (reobaza); pentru i = 2b, t = a/b (cronaxia).

Fig. 41. Relaia lui Weiss intre valorile intensitatii si duratei unui stimul.

4. Biofizica sistemelor complexe 4.1. Notiuni de bioacustica) Definiia i propagarea sunetelor Acustica studiaza undele mecanice (mai ales sunetele), in toate aspectele lor: producere, caracteristici, propagare, receptie si analiza. Undele mecanice reprezinta propagarea oscilatiilor particulelor unui mediu material (spre deosebire de undele electromagnetice ele nu se propaga in vid). Perturbaiile mediului aerian, produse de cauze diverse, se propag n mediul pe care-l strbat sub forma unor variaii de presiune. Aceste fluctuaii de presiune constituie undele acustice. Pentru anumite valori ale frecvenelor si presiunilor, undele acustice pot fi detectate de urechea uman sub forma sunetelor. Intervalul de frecvene la care este sensibil urechea uman este situat ntre aproximativ 16 - 20.000 Hz, iar undele acustice situate n acest domeniu se numesc i unde sonore. Uneori, termenul de und sonor este utilizat n mod incorect i pentru undele acustice situate n afr intervalului de audibilitate la om. Undele acustice cu frecvene mai mici de 16 Hz se numesc infrasunete, iar cele cu frecvene mai mari de 20.000 Hz se numesc ultrasunete.

a)

b)

Fig. 42. a) Propagarea undelor sonore in aer; b) Unda de variaie a presiunii aerului: variaia de frecventa (sus); variaia de intensitate (jos).

50

Fiind un fenomen ondulatoriu (de tip unda), sunetele sunt vibratii mecanice in medii elastice. Cele mai simple unde acustice sunt undele sinusoidale de frecvene, amplitudini i lungimi de und definite. Aceste marimi sunt definite in felul urmator: frecventa, (numarul de vibratii efectuat in unitatea de timp); perioada, T, (timpul in care se efectueaza o oscilatie completa); viteza de propagare, v, lungime de unda, , (distanta strabatuta pe direcia de propagare in timp de o perioada); elongatia, y; amplitudinea, A (elongatia maxima) (fig. 43)

a) b) Fig. 43. Ilustrarea unui fenomen ondulatoriu; a) variaia temporala; b) variaia spatiala. Intre aceste marimi avem urmatoarele relaii:

t x y = A sin 2 T

;

= 1/;

=v

(92)

Sunetele sunt unde longitudinale (vibratia se face pe direcia de propagare si viteza depinde de natura mediului. Cnd astfel de unde din domeniul undelor sonore ajung la ureche, ele provoac vibraia particulelor de aer din apropierea timpanului i dau natere unui sunet dac presiunea este mai mare de 20 Pa (I0=10-12 W/m2) (limita de audibilitate sau pragul auzului) i mai mic de 20 Pa (I = 1W/m2 ) (pragul dureros) si frecventa in intervalul 2020.000 Hz . Intre aceste limite de intensitate si frecventa este cuprins domeniul de audibilitate (fig. 44).

Fig. 44. Domeniul de audibilitate pentru urechea normala

Fenomene care apar la propagarea undelor sonore. Proprietile fizice ale sunetelor. Ca orice fenomen ondulatoriu sunetele se propag cu viteze care depind de proprietile mediului; ele sunt absorbite, se reflect, refract, difract, interfereaz i difuzeaz Viteza cu care se propaga undele sonore este diferita in diferite medii depinzand de proprietati fizice cum ar fi modulul de elasticitate si densitatea mediului, dar si de temperatura. Intrun mediu elastic viteza de propagare este :51

Pentru otel (E =2.10 N/m si = 7800 kg/m ) viteza este 5000 m/s. Viteza de propagare a unui puls longitudinal ntr-un fluid depinde numai de modulul de compresibilitate B i de densitatea fluidului : B (94) c=11 2 3

(93)

Considernd, n cazul undelor acustice, procesele adiabatice: Bad = p unde este indicele adiabatic. Viteza undei, n cazul gazului ideal devine:c= B ad = p

(95)

(96)

i este cunoscut sub numele de formula Laplace. Expresia antetrioar poate fi rescris n funcie de temperatur. Pentru un gaz ideal, din ecuaia de stare rezulta : p RT , (97) = M

n care R este constanta gazului ideal, T este temperatura absolut , iar M este masa molar . Expresia vitezei undei pentru gazul ideal, n funcie de temperatur, va fi: RT (98) c=M

Dac se folosete aceast formul pentru a calcula viteza undelor longitudinale n aer, se obine, nlocuind M = 28,8 Kg/Kmol, = 1,4 i R = 8,31103 J/Kmol.K, pentru temperatura de 300 K (270C):

Acest rezultat obinut pe cale teoretic concord cu o eroare de pn la 0,3% cu viteza msurat experimental. Absorbia depinde de natura si proprietatile mediului ct i de frecventa undelor si scade exponentiual cu distanta parcursa de unde in mediu conform legii Lambert: (99) unde: este coeficientul de atenuare, proporional cu patratul frecventei ( ); I0 este intensitatea undei incidente; I N3 adica nivelele inferioare sunt mai populate dect nivelele superioare. Prin pompaj optic putem realiza o inversie da populatii intre nivelele 1 si 3 adica N3 > N1 si cu ajutorul unui stimul producem o radiatie laser. Proprietatile radiatiei LASER sunt: - intensitate mare, datorita dezexcitarii unui numar mare de nuclee intr-un timp scurt; intensitatea radiatiei laser este mult mai mare dect intensitatea emisa de surse conventionale, obinundu-se intensitati de zeci de zeci de mii de ori (104) dect intensitatea radiatiei solare; - radiatia laser este monocromatica, aceasta deoarece emisia se face intre doua nivele energetice determinate; - radiatia laser este coerenta; - radiatia laser este unidirecionala, fiind emisa sub forma unui fascicol ingust si paralel. Aplicatii medicale. In medicina utilizarea laserului permite dezvoltarea unor tehnici medicale care nlocuiesc eficient tehnicile conventionale. Laser-ul exercita asupra tesuturilor vii efecte termice, fotochimice si mecanice. Aplicatiile medicale principale ale laser-ului sunt in oftalmologie si chirurgie. Cu ajutorul acestei tehnici chirurgicale se evita influentele negative asupra tesuturilor din jur, interventiile operatorii sunt nesngerande ( se produce hemostaza datorita vaporizarii tesuturilor) iar complicatiile postoperatorii sunt mult mai reduse. Utilizarea laser-ului in medicina este in coninua extensie. Aplicatiile laserului sunt foarte diferite: - in dermatologie laser-ul serveste la distrugerea unor tumori cutanate si a petelor pigmentate. - in gastroenterologie, laser-ul este utilizat pentru a pulveriza calculii canalului coledoc; pentru deschiderea unei treceri care sa restabileasca circuitul digestiv in tumorile evoluate ale esofagului ale rectului; pentru a coagula vasele chiar in interiorul tubului digestiv (ulceratii, angioame). - in ginecologie laser-ul este folosit mai ales pentru a distruge leziunile precanceroase ale108

colului uterin. -in neurologie - permite distrugerea unor leziuni tumorale. - in oftalmologie laser-ul este utilizat mai intai de toate in prevenirea dezlipirii de reina, pentru a face sa adere reina si membranele subiacente la nivelul rupturilor sau leziunilor degenerative ale reinei; apoi, pentru distrugerea micilor leziuni reiniene; in sfarsit, pentru fotocoagularea microanevrismelor reiniene consecutive diabetului. - in otorinolaringologie (ORL), laser-ul permite tratarea unor leziuni ale corzilor vocale si ale laringelui. -in pneumologie, laser-ul permite distrugerea tumorilor care obstrueaza bronhiile mari stanjenind respiraia; el mai da posibilitatea tratarii obstacolelor netumorale ca ingustarile consecutive unei cicatrice ramase dup intubare sau traheotomie; in caz de tumora maligna, laserul poate servi la ameliorarea confortului respirator al bolnavului. Noi indicatii sunt actualmente in studiu cum ar fi: distrugerea placilor de aterom de pe peretii arteriali, ale tumorilor prostatei etc.

8. Elemente de radiobiologieRadiobiologia studiaz efectele biologice ale radiaiilor ionizante (radiaiile cu E>10 keV). Studierea actiunii radiatiilor ionizante asupra organismelor reprezinta o problema complexa, deoarece pe langa caracterul fizic diferit al radiatiilor trebuie sa se tina cont si de structura organismelor (celule, tesuturi, organe) de diferentierea morfo-functionala, de factorii de integrare (sistemul circulator, sistemul nervos, sistemul limfatic), de diferentieri ontogenetice si filogenetice. Distingem radiobiologia generala si radiobiologia medicala (clinica). Actiunea radiatiilor depinde de natura si energia radiatiilor, de doza aplicata si de factorul timp. La organismele vii, studiul reactiilor biologice face necesara distinctia dintre procesele care apar in zona iradiata, asa numitele reactii locale, de reactiile generale care se produc la nivelul intregului organism, chiar si in afr regiunii iradiate.

8.1. Radioactivitate. Radiatii ionizanteRadioactivitatea este proprietatea specifica nucleelor instabile (radioactive) de a se dezintegra (rupere in fragmente nucleare) cu emisia spontana a unor radiatii nucleare ionizante (produc ionizarea atomilor sau moleculelor mediului prin care trec). Prin aceste modificari o specie nucleara trece in alta specie nucleara, adica are loc o reactie (tranzitie) nucleara. Reactiile nucleare se produc respectand conservarea masei (numarului total de nucleoni) si a sarcinii (numarul total de protoni) care intra, respectiv rezulta din reactie. Distingem o radioctivitate naturala, observata la izotopii instabili care exista in natura, si o radioactivitate artificiala, specifica nucleelor care rezulta in laborator in urma reactiilor nucleare provocate. Radiaiile ionizante sunt de dou tipuri: a) radiaii corpusculare: , , neutroni, protoni, deuteroni b) radiaii electromagnetice: x, a) Radiaiile reprezint nuclee de heliu, alctuite din 2 protoni i 2 neutroni, au sarcina +2e i masa 4 u.a.m. Radiaiile sunt electroni (-) sau pozitroni (+) care provin din nucleu n urma dezintregrrii acestuia. Protonii, neutronii i deuteronii sunt particule care apar prin dezintegrarea nucleului sau n urma unor reacii nucleare. b) Radiaiile X (Rentgen) se pot produce n tuburile Coolidge prin frnarea unor electroni accelerai (dar ele exist i n radiaiile cosmice). Radiaiile apar n urma unor dezintegrri radioactive sau se pot produce prin frnarea unor electroni accelerai n sincrotroane.

109

Radiatia emisa

Tab. 24. Principalele tipuri de radiatii Reactia nucleara Caracteristica procesului A A 4 4 Expulzarea din nucleu a unei particule ( nucleu He); X = Y +Z Z 2A Z 1

2

X =YA Z

+

0 m1

X

A* Z

A =XZ +

Transformarea reciproca, in nucleu, a protonului in neutron; Dezexcitarea nucleului; insoteste de regula emisia de radiatii sau ;

In procesul dezintegrarii radioactive, trecerea de la nucleul iniial la nucleul final se poate face prin una sau mai multe tranzitii. Un exemplu de dezintegare este prezentat in fig. 106.

Fig. 107. Schema dezintegrarii

60 Co27

Fig. 108. Principalele tipuri de radiaii nucleare

Deci, radiaiile ionizante apar, n general, atunci cnd este prezent o surs de radiaii oarecare, fie un dispozitiv tehnic generator de radiatii. O surs radioactiv este caracterizat prin activitatea ei. n cazul substanelor radioactive, activitatea se definete ca fiind viteza de dezintegrare, adic numrul de nuclee dezintegrate n unitatea de timp: = - dN/dt (118) Introducnd expresia legii dezintegrrii radioactive: N = N0e-t (119) unde N0 este numarul iniial de nuclee si N < N0, numarul de nuclee ramase nedizintegrate si este constanta dezintegrarii radioactive, caracteristica nuclidului si tipului de radiatie emis, iar t este timpul, rezult: = - d(N0e-t)/dt = N0e-t = N (120) Expresia = N reprezint o alt form a definiiei activitii radioactive. Se definete T1/2 timpul de njumtire, alt noiune important n radiobiologie, ca fiind timpul dup care numarul de nuclee ramase nedezintegrate se reduce la jumatte, respectiv jumtate din numrul de nuclee s-au dezintegrat. Din legea dezintegrarii radioactive: N = N0e-t, (121) cu conditia N = N0/2, rezult: N0/2 = N0e-t (122) i de aici: T1/2 = ln 2/ = 0,693/ (123) Timpul de njumtire este o caracteristic important a unui radionuclid si se masoara in SI in secunde, dar se utilizeaza frecvent si unitatile tolerate (minute, ore , luni, ani , etc.). Unitatea de msur a activitii radioactive in SI este dezintegrarea/s sau Bequerel-ul (Bq). []SI = 1 Bq = 1 dez/s110

(124)

O unitate tolerat este Curie (Ci), definita ca activitatea unui gram de radiu pur. Cum numarul de nuclee poate fi exprimat in funcie de numarul lui Avogadro, pentru o masa m de acelasi tip de nuclee, din care doar p reprezinta ponderea elementului radioactiv, obinem: = N =

0, 693 0, 693 pm NA = NA T1/ 2 T1/ 2 mA

(125)

unde mA este masa atomica a elementului radioactiv.In aceste condiii activitatea devine

pm (126) mAT1/ 2 Conform ultimei relaii, activitatea este direct proportionala cu masa radioizotopului si si invers proportionala cu timpul de injumattira si masa atomica. nlocuind aici pentru un gram de Ra (A = 226) pur (p = 1), m = 1g = 10-3kg, mA = 226 kg/kmol, T1/2 = 1500 ani = 5,04.1010s, rezulta: 1 Ci = 3,7 1010 Bq Deoarece curie-ul este o unitate tolerata mare, in practica se utilizeaza submultiplii: 1mCi = -3 10 Ci, sau 1Ci = 10-6Ci. Pentru o substan radiactiva dispersat uniform n aer sau ap, se defineste activitatea specifica. Aceasta se defineste ca activitate corespunzatoare unitatii de masa (activitate masica) sau activitate corespunzatoare unitatii de volum (activitate volumica): m = /m ; v = /V (127) 3 3 si se msoar in SI in 1 Bq/kg sau 1 Bq/m respectiv unitatile tolerate 1 Ci/kg sau 1 Ci/m . = 4,18.10 26 Dezintegrarea radioactiv Toate elementele care prezint fenomenul de radioactivitate se numesc elemente radioactive, ca de exemplu: Ra, U, Po, Th, etc. Pentru a stabili natura radiaiilor emise, se acioneaz cu un cmp magnetic asupra fasciculului dirijat de radiaii, capsula de plumb ce conine proba de uraniu se aeaz ntr-un cmp magnetic (n fig. 107 acesta este perpendicular pe planul figurii). Radiaiile (42 42He) sunt nuclee de heliu; au viteza de penetrare de aproximativ 2.104km/s; sunt puternic ionizante; sunt obinute prin expulzarea de ctre nucleu a unei particule format din doi protoni i doi neutroni; au energii cuprinse ntre 3 i 6 MeV; sunt caracteristice nucleelor grele; la trecerea prin substan sunt mprtiate i pot produce reacii nucleare; n aer strbat distane ntre 3 10cm, n aluminiu aproximativ 0,02mm i pot fi oprite de straturi de substan cu grosimea de zecimi de milimetru; procesul prin care un nucleu emite o particul , se numete dezintegrare , (deplasare cu doua casute la stnga in Sistemul periodic): A 4 A-4 (128) Z X 2 + Z-2Y, ca de exemplu: 226 4 222 (129) 88Ra 2 + 86Rn 0 0 Radiaiile ( -1 -1e) sunt fascicule de electroni; au viteze mari de propagare, de aproximativ 29.104km/s; au putere mare de ptrundere, de aproximativ 100 ori dect radiaiile ; au energii de aproximativ 5MeV; const din emiterea de electroni rapizi de ctre nuclee; se explic prin transformarea neutron proton;111

procesul prin care un nucleu emite o particul , se numete dezintegrare ; (deplasare cu o casuta la dreapta in Sitemul periodic): A 0 A (130) ZX -1 + Z+1Y de exemplu; 210 0 210 (131) 82Pb -1 + 83Bi Radiaiile gama () sunt radiaii de natur electromagnetic (lumin); au viteza de propagare egala cu viteza luminii (3.108m/s); au putere mare de ptrundere; apar i sunt emise la trecerea dntr-o stare instabil (excitat) ntr-o stare stabil: 198 * 198 (132) 80Hg + 80Hg; nu sunt deviate de cmpuri electrice i magnetice (nu au sarcin electric); au puterea de ionizare mic; emisia radiatiei se explic prin existena unor nivele de energii diferite n nuclee; cnd un nucleu emite radiaii sau el rmne ntr-o stare excitat, iar prin revenire la starea fundamental, diferena de energie este redat sub forma radiaiilor gama. Observaie: Toate radiaiile, indiferent de natura, , , i sunt invizibile, fr gust i miros, dar au aciune ionizanta puternic. Radioactivitatea artificial Irne i Joliot Curie au observat c unele elemente care sunt bombardate cu particule sau neutroni emit spontan radiaii nucleare, iar nucleul format prin transformarea nuclear este radioactiv i nu stabil. Acest gen de radioactivitate se numete radioactivitate indus sau radioactivitate artificial. Exemple: bombardarea aluminiului cu particule , prin producerea a dou reacii nucleare: 27 4 30 * 1 30 * 30 0 (133) 13Al + 2 15P + 0n 15P 14 Si+ +1 30 * 0 unde 15P este un izotop radioactiv artificial al fosforului, iar +1 este pozitronul. dezintegrarea +, dat de formula A A 0 (134) ZX Z-1Y + +1 nucleul rezultat este izobar, avnd numrul de ordine mai mic cu o unitate (o csu) la stnga nucleului printe n tabelul lui Mendeleev. captura electronic, dat de relaia A 0 A ZX + -1e Z-1Y ,

(135)

8.2. Dozimetria radiaiilor ionizanteEfectele radiaiilor ionizante se apreciaz cu ajutorul unui sistem dozimetric. Acest sistem include mai multe aspecte, n funcie de tipul de radiaie i de mediul iradiat. Se disting urmtoarele tipuri de doze: doza incident, doza absorbit i doza biologic. Doza incident de radiaie ntr-un punct se apreciaz n funcie de numrul de ioni produi n aer n acel punct: Di = Q/V (136) unde Q este sarcina electric total (ioni de acelai semn), este densitatea si V este volumul aerului. Unitatea de msur a dozei incidente in SI este C/kg i reprezint doza care produce ntr-un kg de aer un numr de ioni de acelai semn avnd sarcina total de 1 Coulomb. O unitate tolerat este Roentgen-ul (r): 1 r = (1/3876) C/kg. Prin raportarea dozei la timpul de iradiere se obine debitul dozei incidente : di = Di/t (137)112

a carei de msoar n SI este C/kgs sau A/kg , respectiv unitatea tolerata r/s. Doza absorbit ine seama de existena n punctul considerat a unui material care absoarbe energia radiaiei. Se definete ca fiind energia (W) absorbit de unitatea de mas, m, din acel material: Da = W/m (138) Unitatea este 1 Gy (Gray) = 1 J/kg. Deci, doza absorbit este de 1 Gy atunci cnd 1 kg de material absoarbe 1 J de energie radianta. O unitate tolerat este rad-ul: 1 rad = 10-2 Gy. Analog definim debitul dozei absorbite: da = Da/t care se msoar n Gy/s in SI (sau unitate tolerata rad/s). 1 Gy/s = 1 J/kg.s = 1W/kg (139)

Din aciunea radiaiilor nucleare asupra structurilor vii s-a observat c, n general, diversele tipuri de radiaii produc aceleai efecte. Exist, ns, o deosebire ntre ele, n sensul c unele radiaii cu o energie mai mic pot produce efecte biologice similare sau chiar mai importante dect radiaii cu energii mai mari. Aceast observaie a determinat introducerea n radiobiologie a noiunii de efectivitate biologic. Efectivitatea biologic este, deci, un parametru caracteristic fiecrui tip de radiaie. n aprecierea efectului radiobiologic se folosete mrimea numit efectivitate biologic relaiv (EBR) notat cu . Aceast mrime reprezint raportul dintre efectivitatea biologic a unei radiaii oarecare i efectivitatea biologic a unei radiaii standard. Ca radiaie standard a fost aleas radiaia Rntgen cu energia de 200 keV. Efectivitatea biologic relaiv unei radiaii fa de esutul normal este dat de raportul dintre energia absorbit de esut la iradierea cu radiaia standard si energia absorbit de esut la iradierea cu radiaia respectiv, care produc acelasi efect efect biologic. Cteva valori pentru efectivitatea biologic relaiv sunt prezentate in tab. 25: Tab.25. Valorile EBR pentru diferite tipuri de radiatii Tipul de radiatie EBR () 1 Radiaiile x, i electroni Neutroni termici 5 Neutroni rapizi, protoni 10 20 Particule Efectivitatea biologic a unei radiaii variaz cu felul i gradul efectului biologic, cu specia organismului iradiat, cu esutul iradiat i cu o serie de ali factori ce in de debitul dozei. Doza biologic, B, se definete ca fiind produsul dintre D (doza absorbit) i efectivitatea biologic relaiv : B = Da (140) Unitatea pentru doza biologic in SI se numete Sievert (Sv) i reprezint doza de radiaie care face ca 1 kg de esut s absoarb n punctul respectiv 1/ Jouli de energie. De exemplu, 1Gy de radiatii X corespunde unei doze biologice de 1Sv, iar 1Gy de radiaii corespunde unei doze biologice de 20Sv. O unitate tolerat este 1 rem = 10-2 Sv. n radiobiologie, o deosebit importan o prezint debitul dozei biologice: b = B/t (141) deoarece nu este indiferent dac doza respectiv este primit ntr-un interval de timp mai lung, de exemplu 1 an, sau mai scurt, de 1 minut. Debitul dozei biologice se msoar n Sv/s sau rem/s. Se mai poate defini doza biologic integral, absorbit de ntreg organismul, Bi. Bi = B m (142) unde m este masa organismului, i se msoar n Svkg in SI sau remkg. Toate aceste consideratii sunt sintetizare in tabelul urmator:

113

Marimea Doza incident Doza absorbit Doza biologic Doza biologic integral

Tab. 26. Marimi si unitati de masura utilizate in dozimetrie Relaia UM in SI Debitul dozei UM inS (tolerate) (tolerate) C/kg (r) di = Di/t A/kg (r/s) Di= Q/V Da = W/m Gy (rad) da= Da/t Gy/s (rad/s) Sv (rem) b = B/t Sv/s(rem/s) B = Da Bi = B m Svkg (remkg)

8.3. Interaciunea radiaiilor cu materiaAciunea radiaiilor ionizante asupra organismelor Interacia radiaiilor ionizante cu substana vie se petrece n timp n trei etape: fizic, chimic i biologic, primele dou fiind instantanee. Etapa fizic const n apariia ionizrilor i excitrilor; etapa chimic se refer la apariia radicalilor liberi (prin fracionarea moleculelor organice). Aceti radicali acioneaz ca nite toxine pentru organism. Etapa biologic se refer la fenomenele fiziologice (metabolice) care apar cu o ntrziere mai mic sau mai mare. Dup cile de aciune se disting trei aciuni: direct ( etapa fizic ), indirect ( etapa chimic ) i la distan, dac numai o parte din corp este iradiat. Aciunea direct duce la ruperea legturilor dintre atomi i fracionarea macromoleculelor. Dac aceste din urm sunt vitale pentru celul (ADN, proteine, enzime etc ), metabolismul celular sufer, ducnd la o celul anormal sau chiar la moartea celulei. Aciunea indirect este cea a radicalilor liberi toxici. Cum apa constituie peste 80% din masa celulei, un radical important este apa oxigenat, aprut prin radioliza apei. Apa oxigenat este un oxidant duntor prin oxigenul atomic pe care l elibereaz i care arde esuturile. Oxigenul respirat de organisme esenial vieii este molecular. Exist substane ca cisteamina (prezent n iaurt) care au afinitate de combinare cu radicalii liberi, anulnd astfel efectele lor duntoare. Astfel de substane constituie aa numitele pilule antiatomice care se dau celor iradiai accidental sau care trebuie s intervin la accidente nucleare. Ele nu se recomand ca tratament sistematic pentru profesioniti, datorit unor efecte secundare nedorite. Trebuie meniomai i diverii poluani pot produce n corp radicali liberi nocivi. mpotriva acestora se poate lupta printr-o alimentaie sntoas bogat n antioxidani . Un caz special l prezint vtmarea ADN ului, acest adevrat creier al celulei. Acest lucru poate duce la modificri genetice, celula nu moare dar devine anormal. Dac vtmarea celulei nu este mare celula se poate reface prin procese spefice de autoreparare. Dac vtmarea depete un anumit prag, sistemul imunitar sesizeaz acest lucru i distruge celula. Celula poate muri i fr atacul sistemului imunitar dac vtmarea este foarte intens. Celulele care supravieuiesc dar au un ADN alterat, pot manifesta o diviziune exarcerbat (hiperplazie). Acest lucru poate duce la formaiuni tumorale maligne, boala canceroas. Hiperplazia globulelor albe duce la leucemie. n cazuri grave este necesar transplantul de mduv. Dezvoltarea formaiilor tumorale pn la faza n care pot fi detectate prezint o perioad de laten, care la om poate fi de ordinul anilor. Rspunsul mai slab sau mai violent al celulelor la atacul radiaiilor definete ceea ce se numete radiosensibilitatea acestora. S-a stabilit c radiosensibilitatea unui esut este direct proporional cu capacitatea de reproducere i invers proporional cu gradul su de difereniere. Astfel se explic radiosensibilitatea crescut a organismului tnr fa de cel adult. Tot astfel se explic de ce un cancer primar aprut la persoane vrstnice nu mai duce la metastaze. Radiaii direct ionizante. Radiaiile ionizante corpusculare ncrcate electric interacioneaz cu cmpurile coulombiene ale electronilor i nucleelor atomilor constitueni, cednd o parte din energia lor pentru a produce excitri i ionizri. Se definete transferul linear de energie (TLE) ca114

fiind energia cedat de ctre o particul incident pe unitatea de lungime a traiectoriei sale i se msoar n keV/m. Expresia sa se poate scrie: (143) TLE = WiN unde Wi este energia transferat la o ionizare si N reprezinta numrul de perechi de ioni formai pe unitatea de lungime a traictoriei particulei Particulele grele (, protoni) au o putere de ionizare mai mare i sunt repede ncetinite prin disiparea energiei. Parcursul distana medie strbtut de particul depinde de puterea ei de ionizare. Radiaii indirect ionizante (x i ). n cazul radiaiilor electromagnetice, x i , absorbia energiei de ctre substan se face conform legii generale exponeniale Lambert (94); unde: I 7 (mediu alcalin), hidratare, oxigenare, temperatur ridicat i scade pentru: pH < 7 (mediu acid), deshidratare, anorexie, temperatura scazuta. Aceasta lege din radiobiologie justifica utilizarea radiatiilor in radioterapia oncologica, (iradierea tumorilor maligne), aceste tumori fiind alcatuite din celule nediferentiate, cu rata mare de cretere, si in consecin mult mai radisensibile in comparatie cu celulele sanatoase. Efectele genetice se datoreaz leziunilor cromozomiale din celulele reproductoare. Se manifest la descendeni prin boli genetice, mutaii - de obicei nefavorabile - i moarte. n efectele genetice nu exist prag. Orice doz, ct de mic, poate produce un efect genetic. Totui, probabilitatea crete cu doza. Distingem doua tipuri de efecte genetice care reprezinta doua grade de alterare diferite a moleculei de ADN: - mutatiile genetice, care se datoresc modificarilor la nivelul genei si se manifesta prin modificarea caracterului controlat de gena respectiva. Mutatiile radioinduse sunt calitativ identice cu mutatiile naturale; s-a constatt ca numarul mutatiilor crete direct proportional cu doza de radiatii (fig. 113); - anomaliile (sau aberatiile) cromozomiale care se datoresc unor rupturi ale moleculei de ADN din lantul cromozomial urmata de sudari haotice sau pierderi de material cromozomial. Efecte biologice la iradiere produse n esutul viu sub aciunea radiaiilor nucleare se mpart n dou grupe mari: - efecte deterministe; - efecte ntmpltoare. Un efect determinist este determinat univoc de doza absorbit prinmit. Un asemenea efect apare cnd doza depete o anumit valoare prag. Valoarea pragului variaz de la un individ la118

altul depinznd nu numai de valoarea dozei ci i de durata iradierii. Astfel de efecte sunt: - eriteme, cataract, modificri hematologice, scderea fertilitii. Efectul determinist apare la scurt timp dup iradiere i este cu att mai grav cu ct pragul e depit mai mult. Faptul c sub valoarea prag nu apar efecte deterministe se datoreaz puterii de regenerare a esuturilor. Efectul biologic ntmpltor este supus unei relaii doz efect de natur probabilistic. La un grup de indivizi iradiai, efectele pot s apar numai la unii, de obicei nu la muli. La acest tip de efect nu exist doz prag el putnd aprea i la doze foarte mici de ordinul iradierii naturale. Efectul se refer n principal la apariia maladiei canceroase. Efectul biologic ntmpltor apare cu ntrziere, ani sau chiar zeci de ani. Sistemul de limitare a dozelor permise asigur c riscul deces prin radiaie nu este mai mare dect riscul de deces prin multe alte activiti umane. Studiul cantitiv al efectelor radiaiilor ionizante. Curbele doz-efect. Pentru a stabili relaiile cantitive ntre doza de radiaii i randamentul procesului radioindus se traseaz curbele doz-efect. Aceste curbe reprezint fie proporia de indivizi (celule, organisme etc.) care au prezentat efectul studiat n funcie de doza administrat (curbe cresctoare), fie proporia de indivizi care au rezistat (supravieuitori) n funcie de doz (curbe descresctoare). Mai utilizat este cel de-al doilea tip de curbe. Aceste studii se fac pe populaii cu numr mare de indivizi. Dac se noteaz cu N0 numrul iniial de indivizi, cu N numrul de indivizi supravieuitori i cu D doza de ira