Curs 1 Biofizica Obiectul biofizicii viata este o forma superioara de micare a materiei, care nu se poate reduce la formele ei inferioare (fizice, chimice), forme pe care le nglobeaz organismele vii, dar fr cunoaterea acestor aspecte nu este posibila nelegerea vieii. Definitia biofizicii Biofizica este o tiin interdisciplinara care se ocupa cu: Studierea fenomenele fizice implicate in functionarea sistemelor biologice. Folosirea tehnicilor pentru cercetarea sistemelor biologice; Cercetarea efectelor biologice ale factorilor biofizici asupra sistemelor biologice; Bibliografie Biofizica / Margineanu, Doru-Georg, Bucuresti: Editura Stiintifica si Enciclopedica, 1985, Principii de biofizica umana. Vol. 1 si 2 / Dimoftache C, Herman, Sonia, Bucuresti: Editura Universitara "Carol Davila" din Bucuresti, 2003 Fundamentele biofizicii medicale / POPESCU, Aurel , Bucuresti: ALL, 1994 Metode biofizice de analiza. Senzori si biosenzori [Resursa electronica] / Monica Florescu (2008) Fizica generala / Monica Florescu, Sorin Mihai Adam, Natalia Dihoiu (2007) Biophysical theory of radiation action : a treatise on relative biological effectiveness / Gunther, Klaus(1983) Biofizica / Margineanu, D.G.(1980) Biofizica note de curs / M. Florescu, http://biofiz.unitbv.ro/moodle/ User: Pass: Biofizica si fizica generala : lucrari de laborator / Florescu, Monica(2004) Catalog online: http://www.unitbv.ro/biblio/ Mrimi. Uniti de msur. Sisteme de uniti de msur Mrimi fizice Corpurile din natura si fenomenele fizice sunt caracterizate prin doua categorii de proprieti: calitative si cantitative. Proprietile care pot varia cantitativ se numesc mrimi. Mrimile pentru care este suficient s se cunoasc numai valorile lor i pentru care sunt valabile operaiile ce se efectueaz cu numere reale, se numesc mrimi scalare (masa, densitatea, volumul, energia, etc.). Pentru o parte din mrimile fizice nu este suficient doar cunoaterea valorilor, ci mai sunt necesare i cunoaterea sensului, a direciei i a punctului de aplicaie. Aceste mrimi sunt mrimi vectoriale, iar operaiile care se pot efectua cu ele fac obiectul calculului vectorial (viteza, acceleraia, fora, etc.). Mrimi. Uniti de msur. Sisteme de uniti de msur ntre diversele mrimi se stabilesc anumite legturi care se exprim prin relaii matematice. Stabilirea acestora permite clasificarea mrimilor n dou categorii: mrimi fundamentale i mrimi derivate. Mrimi fundamentale. Aceste mrimi sunt independente ntre ele, adic se definesc fr ajutorul altor mrimi. Numrul mrimilor fundamentale este egal cu diferena dintre numrul mrimilor i numrul relaiilor ce exist ntre ele. Aceste mrimi sunt: Lungimea (l). Masa (m). Timpul (t). Intensitatea curentului electric (i). Temperatura termodinamic (T). Cantitatea de substan (molul u). Intensitatea luminoasa (I). Mrimi. Uniti de msur. Sisteme de uniti de msur Mrimi derivate. Deriv din mrimile fundamentale(se definesc cu ajutorul altor mrimi). Astfel, de exemplu viteza v a unui corp se definete prin relaia: n care s este spaiul i t este timpul. tsv =Mrimi. Uniti de msur. Sisteme de uniti de msur Grupul unitilor fundamentale stabilite mpreun cu toate unitile derivate recunoscute pe plan internaional se numete Sistemul Internaional (SI). Unitile fundamentale ale SI sunt urmtoarele: Metrul (m). Kilogramul (kg). Secunda (s). Amperul (A). Kelvinul (K). Candela (cd). Molul (mol) Dou uniti de msur suplimentare ntregesc SI: Radianul (rad) unitatea de msur pentru unghiul plan. Steradianul (sr) unitatea de msur pentru unghiul solid. Mrimi. Uniti de msur. Sisteme de uniti de msur Unitile derivate sunt unitile de msur corespunztoare tuturor mrimilor derivate i se stabilesc n funcie de unitile fundamentale cu ajutorul formulelor de definiie corespunztoare mrimilor derivate, obinndu-se astfel formulele de uniti de msur. n cazul vitezei, se obine urmtoarea formul de uniti de msur: indicele SI din formul arat c unitatea derivat a vitezei este n SI. | |1 = = mssmvSIPREFIXFACTOR DE MULTIPLICARE AL UNITIISIMBOL exa1018E peta1015P tera1012T giga10 9G mega10 6M kilo10 3k hecto10 2h deca10da deci10 1d centi10 2c mili10 3m micro10 6 nano10 9n pico10 12p femto10 15f atto10 18a Multiplii i submultiplii zecimali ai unitilor de masura Structura si proprietile materiei n univers materia se prezinta sub doua forme: Substana este forma de existenta a materiei care are o structura discontinua, discreta si care este alcatuita din microparticule din agregarea carora rezulta corpurile inconjuratoare. Substanta se prezinta sub patru stari de agregare: solida, lichida, gazoasa si plasma. Cmpul, este forma de existentaa materiei cu o structura continua prin intermediul careia particulele de substanta sunt unite in sisteme si prin care se transmit interactiunile dintre aceste particule. Dupa natura lui, campul poate sa fie: gravitational, electric, magnetic, nuclear. Structura si proprietatile materiei Indiferent de starea lor de agregare, corpurile macroscopice sunt alcatuite dintr-un numar foarte mare de particule (molecule, atomi, ioni) aflate intr-o continua miscare. Atomii molecule sau cristale Moleculele cristale moleculare si macromoleculare, polimeri (in urma unirii unor molecule mici monomeri) biomolecule = biopolimeri Atom Molecula mica (dipol permanent) Macromolecula Structura atomului atomul este un sistem complex Raza atomilor este cuprinsa in intervalul 35 pm (He) si 225 pm (Cs) (1 pm =1012 m), iar masa lor absolut este cuprinsa ntr-un interval de o reprezentare simplist a structurii atomului corespunde unui sistem microscopic planetar n centrul cruia este plasat nucleul atomic n care este concentrat practic aproape ntreaga mas a atomului. ntre nucleu i nveliul electronic se manifest fore de interaciune electrice i magnetice ce menin stabilitatea atomului.kg30 2510 10 Modelul planetar al atomului Structura nucleului atomic Nucleul la rndul su prezint o structur complex ce reflect caracterul discontinuu al materiei alcatuit din particule elementare numite nucleoni: protonii i neutronii Forele de interaciune dintre nucleoni sunt forte de atracie de mare intensitate i se numesc fore nucleare. Intensitatea forelor nucleare este cu 6-7 ordine de mrime mai mare dect intensitatea forelor de interaciune coulombian ce menine stabilitatea atomului i acioneaz pe distane extrem de mici, comparabile cu dimensiunile nucleului atomic. Diametrul nucleului atomului este 1.75 fm (1.751015 m) In detaliu este prezentat nucleul de heliu (He) Structura si proprietatile materiei Structura moleculelor este determinat de felul i numrul atomilor, de orientarea spaial a legturilor dintre atomi, de gradul de rotaie n jurul unei anumite direcii. Caracteristic materiei vii, este ca biomoleculele (biopolimeri) sunt structurate pe mai multe nivele, posednd patru tipuri de structuri: primar, secundar, teriar i cuaternar.Compoziia materiei vii Sistemele vii sunt alctuite din atomi identici cu cei din materia anorganic, atomii fiind legai ntre ei prin aceleai tipuri de legturi ca i n materia anorganic. Putem spune astfel c materia vie este alctuit din micromolecule i macromolecule care nu sunt vii fiind caracterizat printr-o deosebit heterogenitate.Viaa se manifest doar la nivel supramolecular.Forele de interaciune molecular ntre moleculele ce alctuiesc o substana, indiferent de starea ei de agregare, se manifest fore de interaciune. n funcie de distana dintre molecule, forele de interaciune pot fi: de atracie sau de respingere. Structura si proprietatile materiei Stabilitatea moleculelor se datoreaza: fortelor interatomice sau intramoleculare (forte de interactiune dintre atomii constituenti) i forelor intermoleculare, care actioneaza pentru a se obtine o configuratie electronica stabila. Structura si proprietatile materiei Forele inter- i intramoleculare apar din faptul c toi atomii conin sarcini electrice de semne contrare. Astfel aceste fore sunt de natur electrostatic. La baza tuturor interaciunilor electrostatice st legea lui Coulomb care exprim fora F cu care interacioneaz dou particule avnd sarcinile electrice q i Q, aflate la distana d ntr-un mediu cu constanta dielectric c: 241dQ qF- =tcTipurile de legturi care determin formarea moleculelor legtura ionic sau cea covalent (puternice)Se realizeaza intre ioni de semne opuse. Se realizeaza prin punerea in comun de elctroni de catre doi sau mai multi atomi Tipurile de legturi care determin formarea moleculelor Fortele dipol-dipol Repartiia sarcinilor electrice n molecule poate fi: uniform (molecule nepolare) sauneuniform (molecule polare sau dipoli electrici permanenti). Aceste forte apar intre molecule dipolare permanente. Ex; HCl (Cl este mai electronegativ decat H) Substantele cu molecule dipolare au punctul de topire sau de fierbere mai mari decat ale substantelor cu aceasi masa molecula dar nepolare. Matrice cu molecule dipolarecare pot fi permanente sau induse (de aparitia unei molecule dipolare permanente sau a unui camp electric extern) Fore Van der Waalssau forte de dispersie London -Aceste forte apar intre moleculele dipolare induse dar sunt mai slabe decat interactiunile dipol-dipol.

Fora Van der Waals este fora de atracie dintre molecule polare invers proporional cu puterea a 7-a a distanei dintre molecule pentru care se stabileste un echilibru dinamic. Tipurile de legturi care determin formarea moleculelor Forele Van der Waals sunt mult mai slabe dect legturile chimice si nu modific structura i proprietile moleculelei i de aceea joac un rol important n cadrul proceselor biochimice din sistemele vii, n mod deosebit n structurile tranzitorii ale moleculelor celulare, cum sunt: sinteza proteinelor n ribozom, influena reglatoare a ADN-ului, aciunea enzimaticocatalitic. Ex.Abilitatea unor soparle Gecko de a urca pe sticla sau a sta atarnate cu un singur picior este atribuita forelor Van der Waals (folosind firele de par de pe picior) Legatura (puntea) de hidrogenia natere datorit forelor electrostatice care apar intre un atom de hidrogen si un atom electronegativ (N, O sau F) dintr-o alta molecula sau grupare: ntre hidrogenul din gruparea OH a unei molecule i perechea de electroni neparticipanti ai oxigenului dintr-o molecul vecin (ex:H2O), n cazul asocierii printr-o punte dubl a unui atom de H cu gruparea >NH a altei molecule.Se mai numeste coordinativa pentru ca se realizeaza prin suprapunerea norilor electronici ai moleculelor Tipurile de legturi care determin formarea moleculelor Acizii carboxilici formeaza dimeri in faza gazoasa Formarea punilor de hidrogen, a crei energie de legtur reprezint doar 1/10 din valoarea legturii covalente, explic asocierile moleculare care determin proprietile neobinuite ale apei i joac un rol important n stabilirea structurii spaiale a biopolimerilor sau n stabilirea unor legturi specifice ntre macromolecule. ntre gruprile laterale ale moleculelor se pot forma puni de hidrogen care determin o reducere a posibilitilor de rotaie n jurul legturilor covalente. Astfel pot lua natere alte structuri, cum sunt structurile secundare ale biopolimerilor. Interaciunea hidrofila apare intre moleculele de apa si alte molecule (sunt atrase catre sarcinile electrice ale moleculelor de apa). Exemplu: moleculele de glucoza au gruparea hidroxil (OH) care atage moleculele de apa. In final moleculele de glucoza sunt inconjurate de un strat de molecule de apa, strat numit strat de hidratare. De aceea apa este un solvent asa de bun glucozaapa Tipurile de legturi care determin formarea moleculelor Interaciunea hidrofob apare intre moleculele dizolvate n ap care au poriuni hidrofobe care nu se dizolv n ap (nu au portiuni incarcate cu sarcina electrica care sa se atraga sau sa se respinga).Interactiunile hidrofile impreuna cu cele hidrofobe ajuta la determinarea formei tri-dimensionale si structura biomoleculelor (cum sunt proteinele) si a membranelor celulare. uleiapa Tipurile de legturi care determin formarea moleculelor