Curs 1 Biofizica
Curs 1 Biofizica
Noiuni introductive n Biofizic
Prin noiunile de bio i fizic, se inelege implicarea mecanismelor
fizice n funcionarea normal i patologic a diferitelor esuturi i
organe din organismul uman. O alt definiie, de altfel identic, este
aceea c biofizica este tiina care studiaz fenomenele fizice
implicate n funcionarea sistemelor biologice prin utilizarea de
tehnici, concepte fizico chimice i aparate -n cazul nostru aparate
medicale- prin care acestea sunt interpretate. Pe baza acestora
biofizica elaboreaz strategii si tehnici de diagnostic i terapie.
Scopurile biofizicii medicale pot fi ordonate n patru grupe:
1. pe baza fundamentelor biofizicii se ncearc formarea gndirii
medicale i biologice a viitoarelor cadre medicale: asistenti
medicali si medici,2. adncirea cercetrii fundamentale n
principalele ei direcii de investigare biofizic,3. o cercetare
practic prin utilizarea calculatoarelor n investigaii de laborator
si chiar clinic,4. lrgirea perspectivelor biofizicii n formele de
nvatamnt
Pentru cercetarea i cunoaterea proceselor biologice trebuie
cunoscute, n primul rnd, structura i nsuirile fizico-chimice ale
materiei vii. La baza multor procese biologice stau anumite
fenomene fizice. De multe ori, aceste fenomene fizice snt corelate
cu fenomene chimice i, de aici, greutatea de a le studia separat. n
lumea vie gsim o asociere foarte strnsa a fenomenului chimic cu
fenomenul fizic, deoarece substanele acioneaza ntre ele att prin
proprietatile lor chimice, ct i prin cele fizice. Limitele ntre
fizic i chimie se terg in lumea vie, dar tocmai strnsa
ntrepatrundere a fenomenelor fizice cu cele chimice caracterizeaza
fenomenul vieii. Legile fizice i chimice i gsesc n procesele
moleculare, din lumea vie o expresie imediat. Desigur, viaa nu
poate fi redus doar la aspectele fizico-chimice ale materiel vii,
dar far cunoaterea acestor aspecte nu este posibil nelegerea
vieii.Biofizica este disciplina care s-a dezvoltat la grania dintre
fizic i biologie, datorit conlucrrii dintre aceste dou
discipline.Din definitiile care s-au dat pentru obiectul
biofizicii, rezult c aceasta este tiina care studiaza :
structura fizic a sistemelor biologice ; proprietile fizice ale
acestor sisteme ; fenomenele fizice care stau la baza (care
determin) fenomenele biologice cu ajutorul teoriilor si tehnicilor
fizico-matematice.
Istoric
Nu se poate stabili cu precizie, n timp, apariia acestei
discipline; aspectul fizic al fenomenelor biologice a preocupat de
mult timp pe oamenii de stiin. Totui, ca domeniu de sine stttor, ca
obiect de studiu cu metodologie proprie de lucru, biofizica are o
vrst relativ tnr.nc din perioada Renaterii se poate spune c s-au
pus bazele acestei tiine.n anii 1600 William Harvey, medic i
fiziolog englez demonstreaz existenta circulaiei sanguine i studiaz
rolul inimii. Leonardo da Vinci studiaz mecanismele mersului
nlocuind cercuri elastice muchii de pe schelet; de asemenea studiaz
hemodinamica. Explic funcionarea ochiului pe principiul camerei
obscure. Descoper rolul de lentil a cristalinului i explic formarea
imaginii pe retin. Explic perceperea reliefului ca efect al vederii
binoculare. Galvani ( 1737 1798 ) a pus n eviden pentru prima dat
legtura dintre contracia muscular i curentul electric. n exemplul
su a utilizat o lab de broasc izolat mpreun cu nervul sciatic pe
care a fixat-o cu ajutorul unui fir de Cu de partea de Fe a
balconului. La btaia vntului prin contactul pe care-l facea laba cu
Fe balconului aprea contracia muscular ( producerea unui circuit
electric care excita nervul respectiv. Explicaia: apariia unei
diferene de bipotenial ). Laba = primul instrument de determinare a
potenialelor electrice = laba galvanoscopic. Alfonso Borreli
considera procesele fiziologice rezultnd din principii fizice i
mecanice. De asemenea descrie funcia scheletului i a muchilor.n
1770 1880 Lavoisier Frana i Crawford Anglia, stabilesc legtura
dintre procesul combustiei i respiraiei.n 1802 Thomas Young a
propus teoria tricromatic a vederii colorate. A iniiat studii de
hidrodinamic a circulaiei sanguine.n 1848 Du Bois Reymond a
realizat primele nregistrri a potenialului de aciune. Bazele
teoretice ale biofizicii s-au mbogait prin elaborarea in 1968 de
ctre Bernstein a primei teorii ionice care s explice originea
diferenelor de potenial la nivelul membranei biologice. Hermann
Helmholtz a descoperit faptul c energia se consum att n sistemele
vii ct i n cele nevii iniiind astfel termodinamica biologic.
Lucrarile sale din 1860 asupra vederii si auzului au pus bazele
fizice ale abordarii senzoriale. n secolul XX cercetrile n toate
ramurile biofizicii au fost consumate. Hodking Anglia i Cole S.U.A
au aprofundat cercetarile asupra sistemului nervos i a transmisiei
semnalelor electrice. n 1924 Willem Eithoven pune bazele
electrocardiografiei.n 1952 Alan Llozd Hodgkin fiziolog englez i
Andrew Fielding Huxley fiziolog englez elaboreaz un model al
dependenei curenilor ionici din membrana axonal de potenial
membranar ( Premiul Nobel 1963 ).Structura spaial a dublei elice a
macromoleculei de ADN este descoperit prin colaborarea lui James
Dewez, Francis Compton Crick si Maurice Hugh Frederick Wilkins
Premiul Nobel 1962.n 1962 D. Noble modific modelul Hodgkin Huxley
pentru a-l adapta la generatorul cardiac.
George Wald (Premiul Nobel 1967), biolog american, stabilete
principalele etape ale ciclului fotochimic al vederii).
G. Nicolson i S. Singer propun (1972 1974) modelul de mozaic
fluid pentru membrana celular. George Emil Palade (Premiul Nobel
1974) a iniiat aplicarea microscopiei electronice n cercetarea
biologic .Acest scurt istoric nu poate fi ncheiat fr a aminti
contribuiile de seam ale unor profesori i cercettori romni ca A.
Popescu, C. Dimoftache, Sonia Herman, Gr. Turcu, D.G. Mrgineanu, V.
Vasilescu, pentru a meniona numai cteva nume, precum i nfiinarea n
1990 a Societii Naionale de Biofizic Pur i Aplicat din Romnia i
apariia, ncepnd cu anul 1991, a primei reviste romneti de biofizic,
Roumanian Journal of Biophysics.Fie i numai din cele de mai sus
este evident c biofizica este o tiin aflat la grania dintre fizic i
biologie i care, n plus, este strns legat de chimie, biochimie,
fiziologie, genetic i matematic. n secolul XX si XXI cercetarile n
toate ramurile biofizicii sunt continuate.Ramurile biofizicii Lund
drept criteriu de clasificare nivelul de organizare a materiei vii,
ramurile principale ale biofizicii sunt urmatoarele:a. Biofizica
electronic (cuantic)- studiaz aspectele biofizicii la nivel
submolecular cu transfer de energie i sarcin electric ntre atomii
care constituie molecula sau macromoleculele.b. Biofizica molecular
- studiaz structura i proprietaile biomoleculelor n sens fizic ca
fore interatomice, fore intermoleculare, structura spaial a
biomoleculelor i modificarnea acesteia n procesele biologice.
Structura spaial a macromoleculelor ( ADN, ARN, proteine) prin
difracie de raze x pe cristalele acestor macromolecule sau prin
tehnic de rezonan magnetic molecular de nalt rezoluie i
spectografie de infrarou.c. Biofizica celular - studiaz i interacia
existent ntre macromolecule n timpul unor procese biologice cum ar
fi: recunoaterea enzimatic, imunologic. studiaz procese ce au loc
la ansamblarea macromoleculelor si la denaturarea lor. apariia i
protejarea potenialelor de membran transport activ si pasiv
modificrile configuraiei spaiale n funcie de factorii fizici
curgerea cinetic a hematiilor i trecerea lor prin capilare
generarea si propagarea influxului nervos; cuplarea, excitaia,
contracia; interaciuni specifice celulare; mecanisme de traducere a
stimulilor la nivelul celulelor receptoare;d. Biofizica aciunii
factorilor fizici - factorii fizici pot interaciona cu materia vie
prin mai multe mecanisme n funie de nivelul de abordare i timpul de
aciune. Interaciunea cu radiaiile, cu cmpurile magnetice, cu unde
ultrasonore. Toare aceste nivele de abordare nu sunt independente
ntre ele. Se consider aceast divizare doar pentru a ntelege mai uor
unele aspecte pe care le ia sistemul viu n evoluia sa continu.
Natura nu cunoate aceste divizri, ea comportndu-se ca un ntreg, cu
fenomene complexe care uneori prin divizare i pierd sensul real.
Explicaia: complexul ARN sau ADN nu poate explica direct
variabilitatea experienelor genetice, nici mcar abordarea sa spaial
sau rupere; schimbarea de lanuri nu explic aceast variabilitate a
sistemelor vii.e. Biofizica sistemelor complexe - analizeaz
structura i funcionarea ansamblurilor celulare din punct de vedere
fizic ca expresie a integrarii activitaii celulelor componente.
Subiectele specifice domeniului sunt: bioelectrogeneza esuturilor i
organelor operarea analizatorilor biologici bioenergetica
motilitaii i contraciei, stilul i organizarea reelelor neuronale i
activitatile complexe din creier cum ar fi: memoria, recunoaterea
formelor, nvaarea, intuiia, contiina.
Biofizica folosete aproape toate domeniile clasice i moderne ale
fizicii:
Biomecanica diferitele tipuri de locomoie animal pn la
motilitatea celularBioelectricitatea ansamblul fenomenelor
electrice din lumea vie, la nivel celular, tisular i de
organBiotermodinamica i bioenergetica generarea, stocarea,
conversia energiei la nivel celular i problemele energetice ale
sistemelor biologice la nivel supraindividualBiocibernetica
mecanismele reglrii i transmiterii de informaii n sistemele
biologice.Bionica studiaza structurile si mecanismele din sistemele
vii, pentru a gasi solutii unor problemele tehnice ; este un
capitol modern al biofizicii.Radiobiologia fenomenele ce au loc la
interaciunea radiaiei cu materia vie
