Biofizica

Curs 1

INTRODUCERE

• După cum are in exprimare noţiunile de bio şi fizică, se inţelege că această ştiinţă se defineşte prin implicarea mecanismelor fizice în funcţionarea normală şi patologică a diferitelor ţesuturi şi organe din organismul uman. O altă definiţie, de altfel identică, este aceea că biofizica este ştiinţa care studiază fenomenele fizice implicate în funcţionarea sistemelor biologice prin utilizarea de tehnici, concepte fizico – chimice şi aparate matematice prin care acestea sunt interpretate. Pe baza acestora biofizica elaborează strategii si tehnici de diagnostic şi terapie.

Biofizica este stiinţa care studiază fenomenele fizice implicate în funcţionarea sistemelor biologice, utilizând tehnici şi concepte fizico – chimice, precum şi aparatul matematic asociat acestora pentru cercetarea lumii vii.

Scopurile biofizicii medicale pot fi

ordonate în patru grupe: - pe baza fundamentelor biofizicii se încearcă formarea gândirii

medicale şi biologice a viitorilor medici

- adâncirea cercetării fundamentale în principalele ei direcţii de investigare biofizică

- o cercetare practică prin utilizarea calculatoarelor în investigaţii de laborator si chiar clinică

- lărgirea perspectivelor biofizicii în formele de învatamânt

Biofizica – ştiinţă de graniţă

Istoric • Încă din perioada Renaşterii se poate spune că s-au pus

bazele acestei ştiinţe.• În anii 1600 William Harvey, medic şi fiziolog englez

demonstrează existenta circulaţiei sanguine şi studiază rolul inimii. • Galvani ( 1737 – 1798 ) inaugurează o epocă nouă în

domeniul ştiinţei prin evidenţierea în 1789 a relaţiei dintre contracţia musculară si curentul electric ( utilizează o labă de broască izolată împreună cu nervul sciatic şi pe care a fixat-o cu ajutorul unui fir de Cu de partea de fier a balconului; la bătaia vântului prin contactul pe care-l făcea laba cu Fe balconului apărea contracţia musculară; - apare o diferenţă de potenţial iar laba este primul instrument de determinare a potenţialelor electrice – labă galvanoscopică).

• În 1802 – Thomas Young a propus teoria tricromatică a vederii colorate. A iniţiat studii de hidrodinamică a circulaţiei sanguine.

• Leonardo da Vinci – studiază mecanismele mersului înlocuind cercuri elastice muşchii de pe schelet; de asemenea studiază hemodinamica. Explică funcţionarea ochiului pe principiul camerei obscure. Descoperă rolul de lentilă a cristalinului şi explică formarea imaginii pe retină. Explică perceperea reliefului ca efect al vederii binoculare.

• Alfonso Borreli – considera procesele fiziologice rezultând din principii fizice şi mecanice. De asemenea descrie funcţia scheletului şi a muşchilor.

• Luigi Galvani a pus în evidenţă pentru prima dată legătura dintre contracţia musculară şi curentul electric. În exemplul său a utilizat o labă de broască izolată împreună cu nervul sciatic pe care a fixat-o cu ajutorul unui fir de Cu de partea de Fe a balconului. La bătaia vântului prin contactul pe care-l facea laba cu Fe balconului apărea contracţia musculară ( producerea unui circuit electric care excita nervul respectiv. Explicaţia: apariţia unei diferenţe de bipotenţial ). Laba = primul instrument de determinare a potenţialelor electrice = laba galvanoscopică.

• În 1770 – 1880 Lavoisier – Franţa şi Crawford – Anglia, stabilesc legătura dintre procesul combustiei şi respiraţiei.

• În 1802 – Thomas Young a propus teoria tricromatică a vederii colorate. A iniţiat studii de hidrodinamică a circulaţiei sanguine.

• În 1848 – Du Bois Reymond a realizat primele înregistrări a potenţialului de acţiune. Bazele teoretice ale biofizicii s-au îmbogaţit prin elaborarea in 1968 de către Bernstein a primei teorii ionice care să explice originea diferenţelor de potenţial la nivelul membranei biologice.

• Hermann Helmholtz a descoperit faptul că energia se consumă atât în sistemele vii cât şi în cele nevii iniţiind astfel termodinamica biologică. Lucrarile sale din 1860 asupra vederii si auyului au pus bazele fizice ale abordarii senzoriale. În secolul XX cercetările în toate ramurile biofizicii au fost consumate.

• Hodking – Anglia şi Cole – S.U.A au aprofundat cercetarile asupra sistemului nervos şi a transmisiei semnalelor electrice.

• În 1924 Willem Eithoven pune bazele electrocardiografiei.• În 1952 Alan Llozd Hodgkin fiziolog englez şi Andrew Fielding

Huxley fiziolog englez elaborează un model al dependenţei curenţilor ionici din membrana axonală de potenţial membranar

( Premiul Nobel 1963 ).• Structura spaţială a dublei elice a macromoleculei de ADN este

descoperită prin colaborarea lui James Dewez, Francis Compton Crick si Maurice Hugh Frederick Wilkins – Premiul Nobel 1962.

• În 1962 D. Noble modifică modelul Hodgkin – Huxley pentru a-l adapta la generatorul cardiac.

• Astfel, în timp, prin dezvoltarea cercetării în ramurile medicinii, fizicii, matematicii, chimiei precum şi a altor ştiinţe, biofizica a cunoscut o dezvoltare spectaculoasă. În secolul XX cercetarile în toate ramurile biofizicii sunt continuate.

REVISTE ŞI PUBLICAŢII

Primul periodic dedicat biofizicii apare în 1902.

1939 – apare „ Bluletinul biofizicii matematice ”; Biochimia et biofizica ATCA.

1956 – S.U.A. – Byophisical Journal

Ultimul deceniu al secolului a fost marcat de apariţia practic simultană a mai multor direcţii şi orientări ale cercetărilor biofizice:

• modelare moleculara• investigarea structurii proteinelor si a acizilor nucleici cu metode fizice (rezonanţă

magnetică nucleară – RMN )• teoria fractaliilor• imagistică medicală• explorarea radioactivă a organismului uman

În contextul descoperirilor apar diferite organizaţii. Prima Societate Naţională de Biofizică apare in Olanda ( 1932 ), S.U.A ( 1956 ), Japonia ( 1960 ), Anglia (1961).

În 1961 se înfiinţează Societatea de Biofizica a „Uniunii Societăţilor de Ştiinţe Medicale din România ”.

În 1989 în decembrie apare „Societatea Nationala de Biofizică pură şi aplicată” .

Ramurile biofizicii• În funcţie de sistemul abordat cât şi de nivelul de abordare

considerând ( biofizica ) electronică ( cuantică ) care studiază aspectele biofizicii la nivel submolecular cu transfer de energie şi sarcină electrică între atomii care constituie molecula sau macromoleculele. Pentru acest studiu se utilizează ca operator şi modelare mecanică si cuantică cu principiile, tehnicile si metodele specifice.

• Biofizica moleculară studiază structura şi proprietaţile biomoleculelor în sens fizic ca forţe interatomice, forţe intermoleculare, structura spaţială a biomoleculelor şi modificarnea acesteia în procesele biologice. Structura spaţială a macromoleculelor ( ADN, ARN, proteine) prin difracţie de raze X pe cristalele acestor macromolecule sau prin tehnică de rezonanţă magnetică moleculară de înaltă rezoluţie şi spectografie de infraroşu.

• Studiază şi interacţia existentă între macromolecule în timpul unor procese biologice cum ar fi: recunoaşterea enzimatică, imunologică. Studiază procese ce au loc la ansamblarea macromoleculelor si la denaturarea lor.

BIOFIZICA SISTEMELOR COMPLEXE

Analizează structura şi funcţionarea ansamblurilor celulare din punct de vedere fizic ca expresie a integrarii activitaţii celulelor componente. Subiectele specifice domeniului sunt:

• bioelectrogeneza ţesuturilor şi organelor• operarea analizatorilor biologici• bioenergetica motilitaţii şi contracţiei• stilul şi organizarea reţelelor neuronale şi activitatile

complexe din creier cum ar fi: memoria, recunoaşterea formelor, învaţarea, intuiţia, conştiinţa.

BIOFIZICA ACŢIUNII FACTORILOR FIZICI

• Factorii fizici pot interacţiona cu materia vie prin mai multe mecanisme în funşie de nivelul de abordare şi timpul de acţiune.

• Interacţiunea cu radiaşiile, cu câmpurile magnetice, cu unde ultrasonore. Toare aceste nivele de abordare nu sunt independente între ele. Se consideră această divizare doar pentru a întelege mai uşor unele aspecte pe care le ia sistemul viu în evoluţia sa continuă. Natura nu cunoaşte aceste divizări, ea comportându-se ca un întreg, cu fenomene complexe care uneori prin divizare îşi pierd sensul real.

• Explicaţia: complexul ARN sau ADN nu poate explica direct variabilitatea experienţelor genetice, nici măcar abordarea sa spaţială sau rupere; schimbarea de lanţuri nu explică această variabilitate a sistemelor vii.

BIOFIZICA CELULARĂ

Biofizica celulară analizează din punct de vedere fizic comportamentul celulelor individuale, modificările ce apar la aceste celule în cazul stărilor normale şi patologice. Din punct de vedere fizic acest lucru înseamnă:

• apariţia şi protejarea potenţialelor de membrană• transport activ si pasiv• modificările configuraţiei spaţiale în funcţie de factorii fizici• curgerea cinetică a hematiilor şi trecerea lor prin capilare

Biofizica studiază urmatoarele celule:• limfocitele;• eritrocitele;• neuronii;• fibrele musculare;• celulele receptoare;

Contracţia fibrei musculareBiofizica studiază urmatoarele celule:

• limfocitele;• eritrocitele;• neuronii;• fibrele musculare;• celulele receptoare;

Ca subiecte specifice biofizicii celulare distingem:• generarea si propagarea influxului nervos;• cuplarea, excitaţia, contracţia;• interacţiuni specifice celulare;• mecanisme de traducere a stimulilor la nivelul celulelor receptoare;

Din acest motiv este bine a se cunoaşte până unde se poate diviza un fenomen în vederea abordării sale corecte şi nemodificate.

Biomecanică / Bioenergetică = fotosinteză, bioluminiscenţă, producere de enrgie în sisteme biologice inclusiv transformerea acestor forme de energie până la degradarea lor.

• Biotermodinamică• Bioelectricitate• Optică fiziologică• Neurobiofizică • Radiobiologia• Radiobiofizică

BIOFIZICA ACŢIUNII FACTORILOR PERTURBATORI

ŞI DE REGLAJ

Domeniile de studiu ale biofizicii sunt de mare complexitate însă toate au un numitor comun şi anume toate aceste domenii pot fi studiate şi aprofundate cu ajutorul legilor fizicii moderne şi a tehnologiilor de vârf apărute pe baza acestor teorii.

SISTEMELE BIOLOGICE Sistemele biologice sunt un ansamblu de elemente dependente între ele si

care formează in întreg organizat care pune ordine într-un domeniu de gandire şi face ca o activitate să funcţioneze potrivit scopului urmărit.

Obiectivul sistemelor biologice este studiul structurii anatomice şi fiziologice a unor sisteme ale corpului uman.

Sistemele biologice ale corpului uman sunt: sistemul nervos, memoria, instrumentaţia cardiacă, ECG, mapping ECG, analizatorii corpului uman, simţurile.

Sistemul nervos recepţionează, transmite şi integrează informaţiile din mediul extern şi intern, pe baza cărora elaborează răspunsuri adecvate, motorii şi secretorii. Prin funcţia reflexă, care stă la baza activităţii sale, sistemul nervos contribuie la realizarea unităţii funcţionale a organismului ţi echilibrul dintre organism şi mediul înconjurător.

Sistemul nervos, unitar ca structură şi funcţie, este subîmparţit în: • sistemul nervos al vieţii de relaţie ( somatic ), care asigură echilibrul organismului cu

condiţiile variabile ale mediului

• sistemul nervos al vieţii vegetative, care regleayă permanent activitatea organelor interne

• Inima, sângele si vasele de sânge alcatuiesc sistemul circulator. Sarcinile inimii sunt mult mai complexe decât simpla pompare a sângelui de-a lungul vieţii. Ea trebuie sa fie de asemenea capabilă să răspundă schimbărilor în necesarul de oxigen al corpului. Împreună cu sistemul cirvulator, poate răspunde aproape instantaneu schimbărilor rapide.

Ca subiecte specifice biofizicii celulare distingem:• generarea si propagarea influxului nervos;• cuplarea, excitaţia, contracţia;• interacţiuni specifice celulare;• mecanisme de traducere a stimulilor la nivelul celulelor receptoare;• Din acest motiv este bine a se cunoaşte până unde se poate diviza un

fenomen în vederea abordării sale corecte şi nemodificate.

Biomecanică / Bioenergetică = fotosinteză, bioluminiscenţă, producere de enrgie în sisteme biologice inclusiv transformerea acestor forme de energie până la degradarea lor.

Va multumesc…