cursuri biofizica - MD
-
Upload
isacaleanu -
Category
Documents
-
view
312 -
download
4
Transcript of cursuri biofizica - MD
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
1/52
ATOMUL
Dilema continuitii sau discontinuitii materiei a aprut din timpul filozofilor greci.Leucip a fost primul care a analizat problema divizrii materiei, deci a discontinuitii acesteia. El
a susinut faptul c indiferent ct de mult ncercm s divizm materia, la un moment dat ajungem la unfragment ce nu mai poate fi divizat.Unul dintre elevii lui Leucip, Democrit a denumit atomos (n limba greac atomos nseamn
indivizibil) aceste particule ce nu mai pot fi divizate.Astfel, atomul reprezint cea mai mic fraciune indivizibil dintr-o substan ce pstreaz proprietileacesteia.
Democrit considera ca universul este format din spaiu liber i din particule indivizibile, numiteatomi care difer ntre ei prin dimensiune, form, poziie i aranjare spaial.
Atomismul a fost respins de Aristotel i Platon care susineau teoria continuitii materiei.Ipoteza existentei atomilor nu a fost complet acceptat dect la sfritul sec. al XIX lea, dup
demonstrarea teoriei cinetice i micrii browniene.
Structura atomului
n general se poate afirma c atomul este format din nucleu i electroni.Numrul de electroni din atom a fost determinat experimental. Acesta se numete numr atomic i
se noteaz cu Z. Numrul atomic indic poziia elementului chimic n sistemul periodic.Atomul este neutru din punct de vedere electric. Deci, conine n numar egal sarcini pozitive i
negative. Sarcinile negative sunt reprezentate de electroni iar sarcinile pozitive se afl n nucleu.Exceptnd hidrogenul, celelalte elemente chimice conin n nucleu, pe lang protoni i un numr
variabil de neutroni. Masa neutronilor i masa protonilor formeaza numrul de mas, A, al elementuluirespectiv.
Pentru acelai element chimic numarul de neutroni din nucleu poate fi variabil. Acest lucru numodific proprietile chimice ale elementului i nici poziia sa n sistemul periodic.Numrul diferit de neutroni din nucleu confer elementului chimic proprieti fizice diferite.Elementele chimice cu acelasi numr atomic Z, dar cu numere de mas diferite se numesc izotopi
(n limba greac izotop nseamn acelai loc).
Electronul
Electronul este sarcina electric indivizibil.Primul experiment care a demonstrat c sarcina electric nu este divizibil la infinit, ci este
divizibil n unitai discrete, a fost efectuat de Faraday n 1833. n urma acestui experiment au fost
deduse legile electrolizei.Faraday a evideniat faptul c masa unei substane dintr-o soluie eliberat la un electrod ntr-unanumit interval de timp este proporional cu cantitatea de electricitate ce a trecut prin soluie n acelinterval de timp.
De asemeni, tot Faraday a demonstrat c o cantitate dat de electricitate elibereaz aceeai masdintr-o substan dat. Masa de substan eliberat este proporional cu masa echivalent a substanei.
Rezultatele experimentelor lui Faraday presupuneau existena unei uniti elementare deelectricitate, cantitatea de electricitate purtat de diveri ioni fiind multipli ai acestei uniti. Aceast
1
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
2/52
unitate a fost denumit de ctre Stoney (in 1874) electron, definind-o ca fiind cantitatea de electricitatece trebuie s treac printr-o soluie electrolitic pentru a elibera un atom dintr-o substan monovalent.
e = F/NA
unde:
e sarcina electronuluiF constanta lui FaradayNA numrul lui Avogadro
Calculele lui Stoney au stabilit pentru electron o valoare aprox. de 10-20C.Primele msurtori directe asupra sarcinii electronului le-a iniiat J.J. Thomson i J.S. Townsend
n 1897, valoarea exact fiind stabilit de Millikan n 1909.Valoarea sarcinii electrice a electronului este 1,6x10-19C iar masa sa este 9,11x10-31Kg.Pentru determinarea distribuiei n interiorul atomului a masei i sarcinii electrice s-au realizat de-
a lungul timpului mai multe experimente, elaborndu-se mai multe modele.Experimentele lui Rutherford au demonstrat c sarcina electric pozitiv nu este distribuit
uniform n atom ci este concentrat ntr-un nucleu, confirmnd astfel modelul planetar al atomului n caresarcina pozitiv a atomului este concentrat ntr-un nucleu cu raza de aprox. 10-14m i electronii se rotescn jurul acestuia pe orbite cu razele de aprox. 10-10m.
Dificultatea de baz a modelului planetar clasic const n stabilitatea atomului.Dac avem n vedere legile electrodinamicii clasice, electronii, rotindu-se n jurul nucleului au o
miscare accelerat. Ori, o particul ncrcat electric care are o micare accelerat emite radiaieelectromagnetic ncercnd s-i micoreze energia cinetic. Pe msura scderii energiei cinetice arscdea i raza orbitei, energia potenial ar crete n valoare absolut i electronii ar cdea pe nucleu.
Pentru a corecta deficienele modelului planetar clasic, Niels Bohr a introdus ca postulateconcluziile impuse de datele experimentale:
1. postulatul I: Atomii sunt caracterizai de stri staionare, stri n care acetia nu absorb i nu emitenergie. ntr-o stare staionar energia sistemului este constant n timp.
2. postulatul II: Atomii absorb sau emit radiaie electromagnetic numai la trecerea dintr-o starestaionar n alt stare staionar.Frecvena radiaiei electromagnetice emise sau absorbite se poate determina prin relaia cunoscut
sub numele de condiia frecvenelor lui Bohr:h= Em - En
sau = E / h
unde:E este diferena de energie ntre cele dou stri;
este frecvena radiaiei emise sau absorbite
2
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
3/52
MOLECULA
Dup Lehninger, moleculele din organismele vii, studiate individual, se supun principiilor fizicei chimice obisnuite care guverneaza comportarea materiei inerte, dar studiate n ansamblu,
interactioneaza ntre ele conform unui alt grup de principii care alcatuiesc logica moleculara a strii vii.Aceste principii nu includ, n mod necesar, legi fizice noi, nedescoperite nc. Mai degraba ele trebuieprivite ca un grup de reguli fundamentale care guverneaza natura, functia i interactiile tipurilor specificede molecule din organismele vii, proprieti ce confera acestora capacitatea de a se autoorganiza,autireplica i autoregla. Este mult mai potrivit sa consideram aceste principii ca axiome deoarece uneledintre ele sint intuitive i nu pot fi demonstrate nc.
Compoziia chimic a materiei vii este calitativ diferit de aceea a mediului n care aceasta segsete .
n esen, organismele vii au n constituia lor: ioni de dimensiuni foarte mici (microioni). Dintre acetia ctm: Na+, K+, Cl- (implicai ndeosebi
n exctabilitate), Ca2+ (implicat n contracia musculara), Mg2+ (cu rol n procesul de
bioluminiscen), H
+
(secretat de mucoasa gastric i generator de tensiuni protonmotrice nanumite microorganisme), HCO3- , HPO42-, OH-. micromolecule (neutre sau disociate): aminoacizi, mononucleotide, monozaharide, acizi grai, etc. macromolecule complexe macromoleculare
STRUCTURA FIZIC A MOLECULEI
Molecula este o grupare de atomi ce formeaz o configuraie stabil datorit forelor deinteraciune dintre ei. Aceste fore de interaciune se numesc fore interatomice. Forele care se exercit
ntre molecule poart numele de fore intermoleculare. Forele interatomice i intermoleculare derivdin faptul c toi atomii conin sarcini electrice de semne contrare. Forele dezvoltate sunt de naturelectrostatic.
Wp
r0
r
Condiiile de formare a moleculei se realizeaz cnd forele de atracie dintre atomi suntegale cu cele de respingere, iar energia potenial este minim .
Fore interatomice i intermoleculare
3
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
4/52
Forele care acioneaz ntre elementele ce formeaz biomolecula se numesc fore
intramoleculare (n interiorul moleculei) sau fore interatomice. Aceste fore se pot msura cu metodespecifice, cum ar fi: Rezonana Magnetic Nuclear, Rezonana Electronic de spin sau Difracia de razeX.
Forele interatomice sunt: Legtura ionic este de natur electrostatic. Fora de legtur se poate determina,teoretic, prin legea lui Coulomb - mrimea forei aplicate unei sarcini, q1, datoritprezenei unei alte sarcini, q2:
n care este constanta dielectric a mediului n care se gsesc corpurile, iar r distana dintre ele.Ecuaia se aplic n cazul corpurilor macroscopice. n cazul atomilor i moleculelor legea nu se
poate aplica deoarece nu exist constanta dielectric ntre doi atomi. n acest caz apar fore specifice ntreatomii constituieni ai unei molecule.
Legtura covalent este legtura n care doi atomi cedeaz i primesc electroni devalen formnd un nivel electronic stabil. (un atom cedeaz un electron, cellalt atomprimete un electron).
Caracterele generale ale legturii covalente sunt: este o legtur de distan mic. Distana dintre doi atomi este inferioar razei de
interaciune interatomic; are caracter de saturaie. Odat format legtura dintre doi atomi, perechile electronice
nu mai permit alte legturi; cristalele covalente sunt foarte dure (diamantul).n legturile covalente formate ntre atomi diferii, perechea de electroni de legtur nu este
repartizat simetric ntre cei doi atomi, ci este atras spre atomul mai electronegativ; legtura capt unmoment de dipol. Dipolmomentul legturii va fi cu att mai mare cu ct diferena de electronegativitateeste mai mare.
Legtura coordinativ este o legtur format din doi electroni pui n comun. Electroniisunt furnizai de acelai atom, pentru completarea nivelului energetic extern. Ca exemplu,poate fi luat oxigenul, care poate realiza dou legturi covalente dar poate fi i receptorpentru o legtur coordinativ.
Legtura metalic este o legtura puternic realizat cu electroni pui n comun caregenereaz i electroni liberi de conductibilitate.
Forele intermoleculare sunt forele ce se exercit ntre moleculele ce formeaz o
structur biologic. Aceste fore sunt mai mici dect forele intramoleculare, dar efectul lor devinesemnificativ datorit numrului mare de interacii de acest fel. Energia mic corespunztoare acestorfore permite ruperea i formarea lor destul de uor, ceea ce condiioneaz funciile biologice alebiomacromoleculelor.
Forele intermoleculare apar n urma interaciilor dintre dipoli sau dintre dipoli i ioni.
Dipolul electric
4
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
5/52
Dipolul electric este un sistem format din dou sarcini electrice egale i de semn contrar, aflate ladistanta d una fa de alta.
n biofizic se ntlnesc n mod frecvent biomolecule care sunt, din punct de vedere electric,dipoli permaneni. Ex. aminoacizii, proteinele i lipidele au acest caracter datorit distribuiei de grupride sarcin pe suprafaa biomoleculelor.
Legtura de hidrogen
Legtura de hidrogen este un caz particular al interaciei dipol-dipol.O molecul format dintr-un atom de hidrogen i un atom electronegativ prezint o legtur
covalent cu caracter parial ionic. Se formeaz un dipol cu sarcina negativ spre atomul electronegativ isarcina pozitiv spre atomul de hidrogen. Dac n apropierea acestui dipol se gsete un alt atom, atuncintre atomul respectiv i dipol se realizeaz o legtur determinat de atracia dintre proton i electroniiatomului. Legtura format dintre dipol i atom se numete legtur de hidrogen.
Legtura de hidrogen are urmtoarele caracteristici: distana dintre atomi este foarte mic energia legturii de hidrogen este mai mare dect energia legturii dipol-dipol.
Dipoli indui
Se consider un atom (sistem neutru din punct de vedere electric) n apropierea cruia se gseteun ion pozitiv. Ionul va exercita o for de atracie asupra electronilor i o for de respingere asupranucleului atomului. Atomul se va deforma, adic se produce o uoar separare a sarcinilor pozitive inegative din atom, lund natere un dipol. Acesta se numeste dipol indus deoarece exist att timp ctionul exist n jurul atomului.
Dipoli tranzitorii
n general, ntr-un atom sau molecul electronii sunt distribuii simetric n jurul nucleului. La unmoment dat, aceast simetrie poate s se modifice, formnd un dipol. Deoarece electronii sunt ncontinu micare, existena dipolului este condiionat de probabilitatea asimetriei i distribuieielectronice i dureaz att timp ct dureaz aceasta. Un astfel de dipol se numeste dipol tranzitoriu.
Dac un astfel de dipol se afl n apropierea unei molecule, atunci poate induce n aceasta dipoli acror orientare i moment s depind de dipolul tranzitoriu.
n biomolecule se pot induce muli dipoli tranzitorii i efectul lor fiind cumulativ, foreledispersive pot avea mare importan.
5
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
6/52
STRUCTURA MOLECULEI DE AP I RELAIA CUPROPRIETILE FIZICE PARTICULARE
Molecula de ap este format din doi atomi de hidrogen i un atom de oxigen, legai ntre ei prinlegturi covalente.
Lungimea legturii -O-H este de 0.99 iar unghiul de legtura este de 105. Cei 10 electroni aimoleculei de ap sunt distribuii astfel: 2 electroni ai oxigenului (de pe primul strat) se gasesc n permanen n apropierea nucleului 8 electroni (electroni de valen) graviteaz pe orbite eliptice alungite.
H
H
o dou perechi de electroni se afl pe dou orbite axate pe direciile -O-H ; acetia sunt electronii ceformeaz legtura covalent;
o dou perechi de electroni graviteaz pe dou orbite situate perpendicular pe planul nucleelor; senumesc electroni neparticipani.Prin urmare, molecula de ap are o structur spaial tetraedric, nucleul de oxigen fiind n
centrul tetraedrului.Datorit distribuiei asimetrice a sarcinilor, densitatea electronic maxim fiind n jurul atomului
de oxigen, molecula de ap este un dipol permanent.Molecula de ap poate forma legturi coordinative - puni de hidrogen cu alte molecule. Fiecaremolecul de ap se poate lega coordinativ cu alte 4 molecule, formnd structuri spaiale. Punile dehidrogen stau la baza structurilor supramoleculare, att n stare solid ct i n stare lichid.
Caracterul dipolar al moleculei de ap, dar n special punile de hidrogen, explic proprietilespeciale ale apei:
densitate maxim la 4C cldura latent de vaporizare, cldura specific i conductivitatea termic deosebit de mari constanta dielectric mare, ceea ce favorizeaz disocierea electrolitic tensiune superficial mare.
STRUCTURAREA MOLECULAR A APEI N BIOSISTEME.PROPRIETILE BIOFIZICE ALE APEI
n organismele vii apa se gsete n procente diferite, n funcie de specie i de gradul dedezvoltare ontogenetic.
La organismele superioare apa se poate clasifica astfel:
1. dup loculn care se afla n raport cu celulele:
6
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
7/52
-apa intracelular (70%)intestiial (23%)
-apa extracelular (30%) circulant sau vascular (7%)
2. dup distribuia n esuturi:- apa tisular
- apa extratisular (cavitar): umori apoase, sticloase, LCR, snge3. dup interaciunea cu macromoleculele biologice :
- apa liber- apa legat sau structurat
4. dupproveniena n organism :- apa exogen- apa endogen
Cantitatea de ap din esuturi depinde de coeficientul lipocitic care este raportul dintre cantitateade colesterol (hidrofil) i cantitatea de acizi grai (hidrofobi).
Cu ct un organ sau esut constituie sediul unor procese metabolice mai intense, cu att coninutulde ap este mai mare. Deoarece anabolismul scade cu vrsta, se constat i o scdere a procentului de apcu vrsta: 76% la nou-nscui i 46% la femei ntre 60 i 80 ani.
7
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
8/52
APA N SISTEMELE BIOLOGICEI.1. Rolul i repartiia apei n organism funcie de vrsta i sex apa este matricea vietii; constituie solventul universal att n mediul interstiial ct i n mediul intracelular;
mediu de transport al substanelor de la un organ la altul; mediu de eliminare al produilor de dezasimilaie (prin urin i transpiraie); mediu de dispersie; necesar n reaciile de hidroliz; tamponare a variaiilor de temperatur (degajare prin evaporare de caldura i rol de termostat
prin cldura specific mare).
I.2. Coninutul de ap al organismelor i esuturilor.
n organism apa este coninut diferit funcie de: tipul esutului, vrsta, sex.
embrion n luna 2 3 4 5 6 nou nscut AdultApa % 97 94 92 85 74 67-74 58-67
Coninutul n ap al principalelor esuturi: Dentina - 10%; schelet 30%; esut adipos 30%; cartilag 50%; Ficat 70%; esut nervos (substana alba) 70%;
Pancreas 75%; muchi striat 76%; inim, plmn, rinichi 80%.
Coninutul n ap este n funcie de metabolism.
II. Structura moleculei de ap i proprietile sale fizice particulare
1. Structura moleculei de ap
molecula triatomic, format din doi atomi de H i un atom de O; molecula plan;
8
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
9/52
Figura
comportare ca dipol - ntre moleculele de apa vecine se formeaz legturi de Hidrogen. Fiecaremolecula formeaz dou legturi de Hidrogen.
Figura
Modele de structur a gheii i a apei lichide.
Apa poate exista n trei stri de agregare:o solid,o lichid,o gazoas.
Starea solid (gheaa) - prin difracie X pe cristale de ghea s-a demonstrat c moleculele de apsunt n structura spaial tetraedric.
Figura
Topirea gheii duce la stricarea structurii tetraedrice i spatiile goale din cristal se ocup cu altemolecule de ap ceea ce explic creterea densitii apei la 4C la valoarea 1g/cm3.
Creterea temperaturii ---> de 4C duce la agitaie termic crescut iar densitatea se micoreaz.
9
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
10/52
n molecula de ap fiecare atom de hidrogen este legat de atomul de oxigen printr-o legturcovalent.
Figura
Atomul de H i cel de O pun n comun fiecare un electron. Fiecare atom primete un electronsuplimentar.
Atomul de Hidrogen va avea 2 electroni iar cel de oxigen 8 electroni periferici n loc de 6 (inanumite intervale de timp).
Electronii sunt mai puternic atrai de Oxigen dect de Hidrogen conferindu-i starea dipolarmoleculei de ap. Acest lucru confer proprietatea de disociere a cristalelor ionice n ap.Legtura de Hidrogen permite formarea structurii de tetraedru cu atomul de Oxigen n centru
(cazul gheii).La nghearea apei se cedeaz mediului 1,44 kcal pentru o molecul de ap deoarece energia
legturilor de Hidrogen la ghea este 10 kcal/mol.La topire 15% din legturile de H se rup. Rmn 85% legturi de H dup dezgheare deci apa
mai conine configuraii spaiale de ghea.Linus Pauling propune n configuraia apei pure structura de clatrat (sau cuc).O molecul de ap este nconjurat de 20 de molecule.La structura apei n stare gazoas nu mai avem legturi de Hidrogen.
n vederea ruperii legturilor de Hidrogen se consum cldura latent de vaporizare i rmnFore Van der Waals (fore slabe).
Modificarea structurii moleculare a apei n prezenta solviilor
Solvitul micoreaz de multe ori gradul de ordonare a moleculelor de ap similar cu cretereatemperaturii.
Solviii se mpart n patru categorii:1. electrolii ce disociaz n ioni i se pot hidrata;2. solvii capabili de a forma legturi de hidrogen;3. solvii ineri chimic ce realizeaz legturi hidrofobe;
4. solvii cu diferite tipuri de grupri (polare, nepolare, proteine, macromolecule).
Tipuri de interaciune cu apa
Formarea de ap prin hidratare apa se dispune concentric n jurul ionului formnd primul i aldoilea strat de hidratare.
Formarea de cristale hidrai moleculele hidrofobe creeaz caviti n ap i devin moleculeinterstiiale (cazul gazelor sau al anestezicelor).
10
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
11/52
Crearea de reele de ap n apropierea macromoleculelor (colagenul cu molecule de ap n formde reea).
Apa ca mediu dispersant, dizolvant i ionizant
Apa rupe coeziunea macroscopic a substanelor dizolvate.
Dispersia substanelor dizolvate prin interaciunea dintre dizolvant i dizolvat se numete: solvatare n cazul dizolvantului i hidratare n cazul apei.
Substanele macromoleculare organice i macromoleculare nedisociabile disperseaz n apdatorit existenei n molecula lor a legturilor hidrofobe.
Solubilitatea lor depinde de numrul de legturi hidrofobe raportate la greutatea molecular asubstanelor (glucoza, ureea).
Datorit = 80 (constanta dielectric a apei) electroliii introdui n ap disociaz.Prezena acizilor (donori de protoni) sau bazelor n ap (acceptori de protoni) modific pH-ul
soluiei care variaz ntre 14 i 0.
2. Proprietile fizice particulare ale apei i implicaiile lor n biologie
1. Cldura specific a apei (4,2 kJ/kg) foarte mare fa de oricare substan solid sau lichid. permite o stabilizare a temperaturii n diversele procese biologice cldura produs n travaliul muscular sau n procesele energetice aprute n
metabolism2. Conductibilitatea termic (0,59 Wm-1K-1 la 20C) mai mare ca la alte lichide permite un
amortizor i transportor termic n vederea evacurii cldurii n jurul membranelor sau altorstructuri care nu poate fi evacuat prin circulaie de lichide.
3. Cldura latent de vaporizare (2,43 J/kg la 37C) este mult mai mare ca la alte lichide; factordeterminant i favorizant n homeotermie prin pierderea de cldur (termoliza) sau prin evaporare
pulmonar (0,73106 J/zi) iar prin transpiraie o cantitate mult mai mare de cldur.4. Densitatea. Creterea spre 4C a densitii permite supravieuirea n ap cu ghea la suprafa a
petilor.5. Constanta dielectric = 78,5 la 25C explic capacitatea mare de ionizare a substanelor
dizolvate n ea.6. Punctele de topire 0C i fierbere 100C permit o plaj mare n care proprietile apei se schimb
puin.7. Coeficientul de difuziune (2,410-4 cm2/s) reprezint cantitatea de substan care difuzeaz printr-
o suprafa de 1 cm2 ntr-o secund. Coeficientul de difuziune permite difuziunea liber asubstanelor existente n lichidele biologice.
8. Coeficientul de vscozitate este mic ceea ce permite o deplasare a straturilor apei n mod liber
fr o frecare i consum de energie ntre ele.9. Coeficientul de tensiune superficial 75,610-3 N/m la 0C scade cu creterea temperaturii, prin
ruperea legturilor de hidrogen i agitaia termic.
III. Rolul i proprietile fizice ale apei n termoreglare
Omul este homeoterm (cu snge cald) iar temperatura corpului ramne constant n ciudavariaiilor de temperatur ale mediului sau ale proceselor biologice cu caracter energetic.
11
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
12/52
Pentru a menine constant aceast temperatur este necesar existena unui sistem determoreglare. Aportul apei n termoreglare trebuie studiat n urmtoarele condiii:
1. n zona de confort termic (n jur de 25C);2. la temperaturi inferioare neutralitii termice;3. la temperaturi superioare neutralitii termice;4. n condiii extreme de cald i rece.
La temperatura mai joas de confort termic este necesar un aport de calorii (termogeneza) iar latemperaturi mai ridicate este necesar o pierdere de cldur (termoliza).Cldura specific ridicat a apei explicat prin caracterul puternic asociat al legturilor de
hidrogen (1 cal/gr grad ---> 4,18x103 J/kg grad) organismele pot primi cantiti mari de cldur din afrsau interior fr a-i ridica temperatura proprie.
Conform ecuaiei calorimetrice t = Q/mc, n care:t - variaia de temperatur;Q - cantitatea de cldur;m - masa;c - cldura specific.
Un adult are 65% ap din 70 kg corp, deci un aport de 45.000 calorii ridica cu 1 C o mas de ap
de 45 Kg.Sistemul metabolic produce pe zi (24 ore) 2500 kcal. Apa termostateaz ridicarea temperaturiiprin:
conductibilitatea termic ndeprteaz hipertermiile locale; cldura latent de evaporare (permite prin evaporare pulmonar i cutanat o pierdere
important de cldur de ctre corp).
Rolul evaporrii pulmonare n termoreglare - un adult elimin prin pulmon 300 400 g ap n24 ore. Hipertermia mediului ambiant antreneaz o polipnee termic capabil n creterea eliminriipulmonare a apei.
Evaporarea cutanat, se face prin mecanismele:
perspiraia insensibil; sudaia.
Perspiraia insensibil este difuziunea invizibil a vaporilor de ap sau a lichidului intercelularprin straturile cornoase ale epidermei ---> 600 la 800 cm3 ap pe zi (la om).
Q = 700 gr x 591 calorii (cldura latent la 20C) 413 kcal.Eliminare 25% din cldura metabolic produs.
Sudaia - eliminarea prin piele a unui lichid de excreie - sudaia exocrin sau sudaia adevrat,cu coninut de 3-5 grame clorur sodiu. Sudoarea este rezultatul activitii glandelor mici sudoriparerepartizate pe toat suprafaa pielii. Se elimin pe zi ntre 1 litru i 1,5 litri n climat temperat iar latemperaturi ridicate 20-25 litri.
Eficacitatea sudaiei este legat de viteza de evaporare care depinde de: suprafaa pielii sudate s, de tensiunea de vapori f de presiunea de vapori a apei p la temperatura considerat i de presiunea total P (presiunea atmosferic)
P
p-fsk =V
12
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
13/52
IV. Apa n reaciile biochimice:
1. Hidroliza enzimatic, degradarea macromoleculelor alimentare, glucide i protide n micimolecule absorbabile n intestin. Aceste biosinteze se realizeaz prin deshidratare.
2. Participarea apei la reaciile de oxido-reducere3. Biosinteza prin deshidratare
glicogenoformarean glucoza ---> glicogen + n molecule ap Biosinteza proteinelor se face prin crearea de legturi peptidice ca structura primara a
proteinelor Producerea metabolic de ap - este apa endogen rezultat din combustii celulare.
Combustia total a unei molecule de glucoz d ca rezultat 6 molecule de ap.
C6H12O6 + 6O26CO2 + 6H2O
Reacia este exergonic (productoare de energie). n organism pentru un mol de ap produsrezult 56,7 kcal. Cantitatea de ap format zilnic este 350 gr sau aproximativ 20 moli ceea ce d o
cantitate de cldur de
56,7 x 20 = 1134 kcal.
V. Apa grea
n 1932 Urey observ c rezidul bacurilor de electroliz (bac de celul electrolitic = vas deebonit, de sticl sau de rini sintetice, care conine electrozii i electrolitul) au densitate mai mare dectapa obinuit i astfel descoper apa grea. Apa grea se obine prin electroliza la tensiuni mari.
Exist dou feluri de ap grea: D2O i DOHn locul atomului de H apa grea are izotopul su D deuteriu care are n nucleu un proton i un
neutron D2
1 .
Proprietile fizice ale apei grele
densitatea maxim la 11,6C fa de 4C la apa normal; punct de topire 3,802C; punct de fierbere 101,42C n condiii normale de presiune; coeficientul de vscozitate 12,6 milipoise fata de 1,09 mp la apa normal la 20C.
Se poate marca apa cu ap grea pentru studiul metabolismului apei cu ajutorul spectroscopiei demas sau prin refracie.
Rolul apei grele n organism ncetinete metabolismul; inhib diviziunea celular; abolete parial capacitatea de conducere a influxului nervos; inhib transportul activ i contracia muscular.
Aceste modificri se explic prin: structuralizarea mai pronunat a apei grele; realizarea n celul a unor complexe ap-proteine mai stabile.
13
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
14/52
Dup deuterizare fora de contracie muscular scade iar timpul de laten al contraciei crete. Lanlocuirea apei cu ap grea se genereaz modificri profunde n funcia miocardului.
14
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
15/52
VI. Apa extracelular i apa intracelularForele care menin apa intracelular sunt cele osmotice (acionnd prin membrane).Apa intracelulara este de 55% din totalul organismului.Apa extracelulara este de 45% i reprezinta fluidul interstitial i fluidele circulante.Forele osmotice compenseaz ptrunderea sau ieirea prin membrane a unei cantiti de ap fa
de echilibrul osmotic dictat de compoziia intracelular.
n interiorul celulei avem: apa de hidratare pe macromolecule; apa legat cu rol specific de structuralizare a macromoleculelor ct i de structuralizare a apei de
ctre aceste macromolecule n diversele lor configuraii spaiale.Apa legat are proprieti specifice fa de apa normal.Datorit forelor electrostatice generate de legtura de hidrogen ct i de cuplarea dintre
moleculele de ap n apropierea unor macromolecule putem vorbi de straturi macromoleculare de ap napropierea macromoleculelor care i modific structura prin modificarea funciei sale specifice.
Straturile macromoleculare pot fi n numr limitat datorit forelor de interaciune dintre ele.Primul strat de lng macromolecul este mai legat, are o mobilitate sczut iar straturile II i III
au fore de legtur mai sczute. Nu trebuie confundat n totalitate apa legat cu apa de hidratare.
Proprietile apei legate (numit i sub termenii de ap fixat, apa necongelabil, ap nesolvant,ap intransferabila osmotic): rezist la deshidratare; nu nghea nici chiar la 20C; nu are proprietile obinuite de solvent la cristaloizi; nu este transferat prin membrane n schimbul osmotic dintre celule i mediul extern.
n esuturile animale 5-10% din apa tisular nu nghea deci este ap legat.Pentru determinarea structuralizarii apei o metoda eficace a fost i este R.M.N.-ul (Rezonanta
magnetica nuclear) realizat pe esuturi i tomografia de R.M.N. care d imaginea structurilor biologiceprin imaginea structuralizarii apei sau a altor nuclee, corelat cu modificrile funcionale, normale saupatologice ale acestor structuri. Nu am fi avut tomografie de R.M.N. realizat pe protonii apei din esuturi
fr existena structuralizrii specifice a acestei ape n esuturi.Concluziile la care au condus tehnicile de rezonan magnetic protonic referitor la apaintracelular, sau apa tisular au artat prezena mai multor compartimente pentru apa intracelular, ntreaceste compatimente existnd un schimb continuu de molecule.
VII. Compartimentarea apei n organism. Metode de evaluare
O prim form de compartimentare: apa intracelular - reprezint locul reaciilor metabolice; apa extracelular - constiuie mediul nconjurtor al fiecrei celule. Aceasta conine i fluidul
interstiial i fluidele circulante.
Pentru evidenierea diferitelor compartimente pot fi utilizate metode de diluie, de colorare(pentru sistemul circulator), izotopi radioactivi.
Concentraia substanei test variaz ntre compartimente n funcie de timp, printr-o legemultiexponenial:
C(t) = Ae1t + Be2t + ...Metoda analizei compartimentale este generat att pentru determinarea compartimentrii apei ct
i pentru ptrunderea i compartimentarea medicamentelor n organism sau a izotopilor radioactiviutilizai ca diagnostic.
15
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
16/52
BIOMEMBRANE CELULARE
Biomembranele reprezint circa 10 - 20% din masa celular. Proporia de lipide i proteine careintr n componenta acestora este diferit n raport cu funciile particulare ale fiecrei biomembrane.
Membranele cu activitate metabolic marit conin mai multe proteine (de ex. membrana intern amitocondriei cu peste 70% proteine n alctuirea sa). Teaca mielinic conine lipide n proporie de 75%ceea ce asigur rolul su de izolant electric. Glucidele reprezint un component minor, prezent numai nproporie de 2-10%. Acestea sunt dispuse n principal pe faa extern a membranei fiind legate covalentde lipide sau proteine. Acestor componente la nivel membranar li se asociaz o nsemnat cantitate deap (circa 20% din masa total) precum i ioni de Ca i Mg. Proporiile lor variaz foarte mult n specialn stri patologice.
Proteinele membranare sunt unele periferice iar altele sunt integrate n lipide.Pe faa citoplasmic a multor membrane celulare se formeaz o reea de proteine fibrilare
formnd citoscheletul.Pe faa extern a membranelor att proteinele ct i lipidele prezint poriuni oligozaharidice fiind
constituite ca glicoproteine i glicolipide.Acestea formeaz n ansamblul lor inveliul celular numit glicocalix.Lipidele membranare pot fi nepolare (neutre) cum este colesterolul ori polare cum sunt
glicerofosfolipidele i sfingolipidele.Modelul de membran acceptat este cu dublu strat lipidic, monomoleculare juxtapuse cu capetele
polare spre exterior i cu catenele hidrocarburice n contact.Stratul lipidic este strbtut de pori umplui cu ap, cu o structur de mozaic cu mici zone
hidrofile mprtiate pe un fond hidrofob.
Modelul este de mozaic fluid de proteine globulare n dublul strat lipidic.I. Stratul dublu reprezint matricea lipidic a biomembranelor iar structura sa este realizat
printr-un proces de auto-asamblare (autoorganizare).Forele de atracie Van der Walls dintre lanurile hidrocarbonate determin, la rndul lor,
aglomerarea acestora. De asemenea ntre constituienii membranari se manifest i interaciunile de tipelectrostatic sau de tip legtur de H (ntre capetele polare i moleculele de ap).
16
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
17/52
Proprietatea de autoorganizare a stratului dublu se pstreaz i n vitro, putndu-se astfel obinemembranele artificiale. Acestea se prezint de obicei sub dou forme: fie ca straturi bi-lipidice plane, fieca straturi duble lipidice dispuse n vezicule (lipozomi).
II. Fluiditate: Stratul dublu lipidic efectueaz anumite micri intra- sau intermoleculare, fiindnzestrat, prin insi structura sa, cu o mare mobilitate.
Frecvena i amplitudinea fiecrui tip de deplasare a stratului dublu depind de caracteristicile sale
mecanice i structurale. Astfel, micarea cea mai simpl de observat o reprezint rotaia lipidelor n jurulpropriei axe moleculare i a lanurilor hidrocarbonate. Cu ct aceste micri sunt mai ample cu att mainsemnate devin i micrile laterale ale lipidelor i proteinelor n planul membranei.
Moleculele lipidice prezint i proprietatea de a difuza liber n stratul dublu lipidic.n afara acestor deplasri se mai evideniaz i deplasri intramoleculare (n care se deplaseaz
doar o parte a moleculei) micri de rotaie de translatie a moleculei.Micrile de translaie ale moleculelor lipidice pot fi laterale sau de migrare dintr-un strat n altul.Prin translaia lateral, moleculele lipidice i schimb locul cu moleculele vecine n cadrul
aceluiai monostrat lipidic. Viteza acestei micri este de circa 107 m/s. Migrarea lipidelor de la un stratla altul este mult mai redus. Prin mecanismul basculant numit flip-flop, anumite enzime realizeaz untransfer specific al unor fosfolipide dintr-un monostrat n cellalt. Aceasta se datorete i compoziieilipidice diferite a unui monostrat fa de monostratul vecin. Micarea flip-flop este foarte lent ceea ceface s explice formarea dublului strat asimetric cu apariie n cursul biosintezei acestuia n reticululendoplasmatic.
PROTEINE MEMBRANARE
Proteinele membranare sunt specifice fiecrei membrane. Ele reprezint elementul activ almembranei (cu rol de enzime, canale, transportori, receptori, etc.).
Concentraia lor variaz funcie de tipul membranei ntre 20% i 75% (membrana mitocondriilor).Putem grupa aceste proteine n dou categorii:a) proteine extrinseci sau periferice, sau care ptrund n membran pe o anumita adncime. Ele
sunt slab legate de membran i pot fi ndeprtate prin splare ori prin tratare cu soluie ionic sczut.Ele sunt frecvent implicate n transmiterea informaiei spre interiorul celulei.b)proteine intrinseci sau integrale care traverseaz membrana pe toat grosimea ei. Pot fi extrase
prin tratare cu detergeni sunt implicate n general n fenomene de transport. Prile intramembranare suntstructuri hidrofobe, n dublu helix, legate ntre ele, n mediul apos, prin zone hidrofile neelicoidale.
Moduri de legare a proteinelor membranare : proteine intrinseci
a) cu un singur segment transmembranar;b) segmente transmembranare multiple.
proteine extrinseci
a) legturi electrostatice;b) legturi hidrofobe;c) legturi hidrofobe, prin ancorare de un segment terminal ce penetreaz membrana;d) ancorare printr-o molecul lipidic legat covalent;e) legare de o alt protein membranar.
Posibilit i de micare n stratul bilipidic
Lipide
17
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
18/52
a) difuzie laterala n stratul lipidic (stnga) i schimb intre moleculele lipidice dinstrat i cele adiacente proteinelor (dreapta);b) rotaie n jurul axei proprii i basculare dintr-un strat n celalalt;c) rotaie descriind o suprafa conic (o asemenea micare pot avea i derivaiiacizilor grai);
Proteine
a) difuzie lateral;b) rotaie n jurul unei axe perpendiculare pe stratul bilipidic;c) rotaie izotropic (fr axa preferenial);d) rotaie descriind suprafee conice, molecule hidrofobe, comportndu-se ca un bastona
rigid.
PERMEABILITATEA I SELECTIVITATEA MEMBRANELORBIOLOGICE
n cazul organismelor vii intlnim membrane permeabile i selectiv permeabile constnd nbariere de complexiti diferite:
bariere multicelulare (intestinul); monocelulare (peretele vaselor capilare); membranele particulelor subcelulare (nuclee, mitocondrii, lipozomi).
Membranele biologice au permeabiliti foarte mari pentru moleculele de ap fa depermeabilitatea pentru moleculele polare sau macromolecule.
Permeabilitatea este mare i pentru molecule sau pentru ioni hidratati.Membranele pot fi clasificate dup proprietile lor de permeabilitate:
impermeabile; permeabile; selectiv permeabile:
SMP: naturale: pluricelulare; monocelulare; celulare.
artificiale: organice; anorganice.
IRP.SMP membrane semipermeabile (permeabile numai la solvent).IRP membrane ireciproc permeabile, adica permeabile la solvii dar numai intr-un sens.
18
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
19/52
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
20/52
Prima lege a lui Fick:Fluxul masic dintr-o substan printr-o suprafa S este direct proporional cu suprafaa i cu
gradientul de concentraie:Legea a II-a a lui Fick
Este o lege de conservare. n procesul difuziei n intervalul de timp (t, t + t) masa de solvit ceintra n volumul Sdx este egal cu masa ce rmne n acest volum, minus masa de lichid care iese.Variaia temporal a concentraiei n orice punct al soluiei este proporional cu variaia spaial
a gradientului de concentraie.
Aplica ii ale difuziei Transportul intracelular; Transporturile prin membrana sau dializa; Filtrarea printr-o membrana; Filtrarea unei solutii; Osmoza i presiunea osmotica.
Difuzia prin canaleSubstanele ionizate nefiind liposolubile, difuzia lor prin membran se poate face prin structuri
proteice specializate care strbat membrana pe toata grosimea ei i creeaz ci de trecere pentru ioni,formnd canale (ionice).
Aceste canale permit trecerea ionilor n ambele sensuri direcionalitatea fiind impus degradientul electro-chimic. Noiunea veche era de pori prin membran.
Canalul ionic poate fi o enzim (E) care formeaz tranzitoriu un complex care va fi transportat eleformnd substratul (S). Funcionarea sa se face pe baza cineticii Michaelis-Menten.
Canalul se poate nchide i deschide funcie de modificarea conformaional a proteinei canal.Comanda se poate realiza:
electric prin modificarea potenialului membranar (canale Na
+
i K
+
); chimic prin molecule ce se leag specific la proteina canal; prin alte mecanisme.
Difuzia facilitatDup cum s-a vzut, moleculele mici hidrofobe pot traversa membrana prin difuzie simpl, iar
ionii difuzeaz prin canale.Moleculele hidrofile mari (care constituie factori nutritivi pentru celule nu pot traversa membrana
dect dac utilizeaz un transport mediat de o molecul transportoare, numit ca mecanism difuziefacilitat.
Molecula transportoare recunoate molecula de transportat pe care o introduce n celul n sensul
gradientului electrochimic.Transportorii sunt capabili s deosebeasc izomerul dextrogir de cel levogir.Difuzia facilitat poate fi descris pe baza cineticii Michaelis Menten.
Descrierea mecanismului:Molecula transportoare, cu rol enzimatic, se poate afla n dou stri conformaionale:
1. avnd un loc de legare a substratului (molecula ce urmeaz a fi transportat) peuna din feele membranei;
20
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
21/52
2. modificarea conformaional ca rezultat de transferare a situsului pe cealalt fa amembranei.
Viteza de reacie este proporional cu concentraia substratului, transportul se efectueaz de laconcentraie mare la concentraie mic (n direcia gradientului de concentraie a substratului). Similaraltor reacii enzimatice difuzia facilitat poate s fie inhibat de anumii compui prin inhibiiecompetitiv sau necompetitiv.
Eficiena difuziei facilitate este mult mai mic dect a celei prin canale. Ex: transportul deglucoz din membrana eritrocitar mediaz circa 300 molec/s.Un caz particular al difuziei facilitate este formarea n jurul ionului a unei structuri hidrofobe,
care i permite difuzia prin stratul bilipidic.
TRANSPORT ACTIV PRIN MEMBRANE CELULARE
Este forma de transport care necesit energie metabolic.a) Necesitatea acestui transport este pentru a extrage din mediu substane cndconcentraia extracelular (Ce) este mai mic dect concentraia intracelular (Ci) i aelimina deeurile din celul n urma metabolismului;b) Meninerea unei stri staionare de evident asimetrie ionic inexplicabil doarprin intervenia transportului pasiv.
Transportul activ se produce mpotriva gradientului electrochimic. Aceast energie provine dinhidroliza legturilor fosfat, bogate n energie, ale acidului adenozintrifosforic (ATP) care se transform nacid adenozinfosforic, (ADP).
Transportul activ primar (pompe)
Inhibitori metabolici, ca dinitrofenolul sau cianurile inhib complet i transportul activ. Pentru aexplica acest fenomen Ussing introduce noiunea de pomp numit i pompa de Na+-K+. Acest
transport are o foarte mare importan fiziologic. Este semnificativ faptul c mai mult de o treime dinATP-ul consumat n repaus este utilizat pentru pomparea acestor ioni.Pompa de Na+-K+ este electrogen i asimetric. Ea este influenat de hormoni, enzime, de unele
medicamente ca i de substane biologic active. Date recente demonstreaz ca Na+-K+ ATP-aza este nrealitate o parte a pompei de Na+-K+.1) Na+-K+ ATP-aza este prezent peste tot unde ionii de Na+si K+ sunt obiectul unui transport activ.
Activitatea enzimatic este corelat cantitativ cu transportul ionic;2) Na+-K+ ATP-aza i pompa de Na+-K+ sunt amndou puternic asociate cu membrana plasmatic. De
asemenea sunt orientate n acelai mod n membran;3) Variaiile concentraiilor de ioni de Na+i K+ au efecte paralele asupra activitii ATP-azei i a
sintezei de transport a acestor ioni;4) Att Na+-K+ ATP-aza ct i pompa de Na+-K+ sunt inhibate de steroizi cardiotonici (ouabaina, care
este o g-strofantina). Concentraia de inhibitor care provoac o inhibiie egal cu jumtate dininhibiia maximal este aceeai pentru cele dou procese. S-a demonstrat c pompa Na+-K+ este oprotein oligomeric transmembranar. Astfel Na+-K+ ATP-aza este un tetramer de tip 22 cu masade 270 kdal. Subunitile mari (fiecare cu masa de 95kdal) conin locul activ de hidroliz a ATP ilocul specific de legtur pentru steroizii inhibitori cardiotonici.
21
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
22/52
Model al Na+-K+ - ATP-azei
Fiecare const din dou grupe , cuprinse ntre dou subuniti glicolipidice mai mici , expui ca osubunitate spre exterior cu dou situsuri pentru glicoizi cardiaci, un situs de fosforilare, 3 situsuri delegtur pentru sodiu i dou situsuri de legturi de potasiu.5) Transportul activ este influenat de temperatur. Prin scderea temperaturii se constat c n celul se
acumuleaz Na+ iar n spaiul interstiial K+ deoarece se micoreaz viteza reaciilor metaboliceexergonice care furnizeaz energie pompelor ionice.
6) Este influenat de factorii chimici care inhib metabolismul celular; Anoxia (insuficiena alimentriicu O2 a celulelor) atenueaz transportul activ.
7) n cazul celulelor moarte, fluxurile active de substan se anuleaz, rmnnd numai cele pasive.
Cum funcioneaz pompa de Na+-K+?Ea trebuie s ndeplineasc 3 condiii structurale:
1. S conin proteina care asigur transportul activ cu o cavitate destul de larg pentru a primi omolecul sau un ion.
2. Sa fie capabil s aib dou conformaii, astfel nct cavitatea s fie deschis spre interior pentrutransportul de K+ i spre exterior pentru Na+ astfel c la un ciclu de funcionare expulzeaz trei ionide Na+ i introduce n celul doi ioni de K+;
3. Afinitatea pentru substanele transportate sa fie diferit n cele dou conformaii;4. Ionii de Na+ declaneaz fosforilarea n timp ce ionii de K+ declaneaz defosforilarea.
O deplasare de 2 a ctorva atomi este suficient pentru modificarea afinitii relative asitusurilor pentru Na+ i K+ i modificarea orientrii acestor situsuri.
ATP-aza scindeaz ATP n ADP i radical fosfat anorganic, pompa ionic necesitnd ionii de K+
i Na+ pentru activitatea sa optimal.Fiecare molecul proteic de Na+-K+ -ATP-az scindeaz aproximativ 100 molecule de
ATP/secund pompnd n exterior Na+ i n interior K+ n raportul:
[Na]+/[K]+=3/2 dupa ecuaia global3Na+i + 2K+e + ATPi3Na+e + 2K+i - ADPi + (Pi)i
n care:i se refer la interior;e se refer la exterior.
De aici se vede caracterul electrogen al pompei n sensul c la fiecare ciclu de funcionare are locun transfer net de sarcin pozitiv (un ion de Na+) spre exterior, ceea ce face ca membrana s sepolarizeze electric: pozitiv la exterior i negativ la interior.
n transportul activ primar exist i transportul de Ca2+ cu rol n reglarea contraciei musculare.
22
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
23/52
Muchiul scheletic conine o reea complex de tubuli i de vezicule legate de membran, iaracest sistem membranar numit reticul sarcoplasmic regleaz concentraia n ioni de Ca 2+. Tranportulionilor de Ca2+ de ctre reticulul sarcoplasmic necesit hidroliza ATP, n acest caz existnd o ATP-azcare este activat de ionii de Ca2+ prin pompa de Ca2+. Densitatea pompelor de Ca2+ n reticululsarcoplasmic este foarte crescut, aproximativ 20.000 m2. Ca2+ ATP-aza constituie peste 80% dinproteinele membranare intrinseci i ocup mai mult de 1/3 din suprafaa reticulului sarcoplasmic.
Formele i dimensiunile proteinei au fost determinate prin difracie cu raze X i microscopie electronicdupa criofractur. Forma sa este simetric, cea mai mare parte fiind n contact cu citoplasma.
Pompele protonice
n membrana citoplasmic a procariotelor i chiar n membranele anumitor organite intracelulare(mitocondrii, cloroplaste) exist ansambluri proteice care catalizeaz un transport activ de protoni. Acesttransport este cuplat fie de oxidarea unui substrat prin intermediul unui lan membranar de transfer deelectroni, fie prin hidroliza ATP prin intermediul unei ATP-aze protonice membranare.
Acest transport permite formarea i meninerea la nivelul membranelor respective a unei diferenede potenial electrochimic de protoni a crui disipare ulterioar prin mecanisme de difuziune facilitatpermite producerea de fenomene de transport activ secundar.
Transportul activ secundar (co-transportul)
Transportul activ secundar se refer la transportul unei substane mpotriva gradientului deconcentraie, cuplat cu transportul altei substane n sensul gradientului ei, meninut prin transport activprimar. Cele dou fluxuri sunt asigurate de aceeai molecul transportoare. Consumul de energie este mairedus dect n transportul activ primar deoarece se foloseste energia furnizat de gradientul electrochimical uneia din substanele transportate.
Din punctul de vedere al sensului fluxurilor, transportul activ secundar se clasific n:1. antiport(contratransport) cele dou substane fiind transportate n sensuri contrare;2. simport(cotransport) cele dou substane fiind transportate n acelasi sens.
1. AntiportulO protein transportoare leag pe faa 1 a membranei o substan (S) pe care o transfer pe faa 2
n schimbul unei alte substane (P) legat pe faa 2 i transferat pe faa 1 a membranei. Viteza detransport va fi proporional cu valoarea concentraiei S1 (pe faa 1) a substanei S, deci cu valoareaconcentraiei P2 (pe faa 2) a substanei P, deci cu produsul S1P2.
La echilibru stoichiometric de 1/1 concentraiile pe cele dou fee ale membranei vor fi:S1P2 = S2P1; S1/S2 = P1/P2
Deci antiportul asigur acelai raport al concentraiilor celor dou substane.
23
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
24/52
Dac stoichimetria este diferit de 1/1 pentru s moli de substan S fiind transportai p moli desubstan P la echilibru rezult un raport al concentraiilor.
(S1/S2)s = (P1/P2)p
Deci raportul concentraiilor depinde de stoichimetria reaciei enzimatice.
Antiportul de Na+/Ca2+Antiportul de Na+/Ca2+ asigur o concentraie sczut de calciu intracelular (exemplu: muchiul
cardiac, celula fotoreceptoare).Pentru fiecare ion de calciu scos din celul (mpotriva gradientului de concentraie) sunt introdui
n celul trei ioni de sodiu (n sensul gradientului). La echilibru se obine:
13
=
++
++
+
+
CaCa
NaNa
2
1
2
1
Pentru un raport al concentraiei de sodiu de 1/10 (meninut prin transport activ primar: pompa deNa+/K+) se obine un raport al concentraiei de Ca de 1/103 deci o concentraie intracelular de calciu de1000 de ori mai mic dect a mediului interstiial.
Antiporta. Funcionarea pompei;
S1, S2 = concentraiile substanei transportate n sensul gradientului electro-chimic, pe celedou fee ale membranei;
P1, P2 = concentraiile substanei transportate mpotriva gradientului electro-chimic, pe celedou fee ale membranei; S, P definesc stoichiometria transportului de echilibru.
p
2
1
s
2
1
PP
SS
=
b. Antiportul de Na+/Ca2+ i transportul activ primar prin pompa de Na+/K+.
Antiportul Na+/Ca2+ este electrogenic: unui ion de Ca2+ scos din celul (dou sarcini) i corespundtrei ioni de Na+ introdui (trei sarcini). Deci la fiecare ciclu, apare un flux net de o sarcin pozitiv, ceeace genereaz un potenial la echilibru de transport, de o sarcin pozitiv genernd un potenial electro-chimic de echilibru diferit de zero.
2. Simportul
Enzima transportoare leag pe aceeai parte a membranei dou substane. Modificareaconformaional a proteinei care permite transferul pe cealalt parte a membranei i survine numai dupalegarea ambelor substane.
Una din ele este transportat mpotriva gradientului de concentraie, n timp ce cealalt n sensulgradientului de concentraie, gradient meninut i de aceast dat prin transport activ primar.
Viteza de transport este proporional cu concentraiile celor dou substane pe aceeai parte amembranei (S1P1). La echilibru se obine:
24
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
25/52
S1P1 = S2P2; S1/S2 = P2/P1,
deci un raport invers al concentraiilor. Pentru o stoichiometrie 1 raportul concentraiilor va fi:
p
1
2
s
2
1
PP
SS
=
Simport
a) Funcionarea pompei: notaiile sunt aceleai ca n figura precedent. La echilibru
p
1
2
s
2
1
PP
SS
=
.
Simportul de Na+/glucoz i transportul activ prin pompa de Na+/K+.Acest simport de glucoz este important n elaborarea urinei. n urina primar concentraia de glucoz
este comparabil cu cea din snge. Ea va fi absorbit total (glucoza) la nivelul tubului urinar nsoit deNa+, transportat n sensul gradientului de concentraie meninut prin transport activ primar.
n regiunea proximal are loc un simport de Na+/glucoz cu o stoichimetrie de 1/1. n regiuneadistal a tubului apare un simport Na+/glucoz cu o stoichimetrie de 1/2 asigurnd pentru un raport alconcentraiei de Na+ de 1/10 un raport al concentraiei de glucoz de 1/100. Astfel este absorbit n patulvascular practic ntreaga cantitate de glucoz. Pompa este electrogenic.
25
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
26/52
ACTIVITATEA ELECTRIC A MEMBRANEICELULARE
POTENIALUL MEMBRANAR DE REPAUSDe o parte i de alta a membranei celulare exist o diferen de potenial electric, generat de o
repartiie inegal a sarcinilor electrice n cele dou compartimente. n stare staionar, n cele doucompartimente desprite de membran se stabilete o relaie bine determinat ntre toi parametriisistemului: potenial electric, potenial chimic, presiune etc., ceea ce definete echilibrul de membran.
CONDIIILE DE ECHILIBRU
n stabilirea echilibrului de membran intervin o serie de factori legai de caracteristicile membranei
i de particularitile mediilor disperse pe care le desparte membrana. Organismul uman include o mare cantitate de ap (60-70% din greutatea corporal). Ea reprezint
solventul pentru sisteme disperse polifazice, cuprinznd cristaloizi sub form ionizat (Na+, K+, Ca2+,Mg2+, etc.), molecule mici i macromolecule amfotere (n general anioni la pH fiziologic).
Mediul intracelular cuprinde i anioni proteici nedifuzibili prin membrana celular, ceea ce impune odiferen de potenial ntre cele dou fee ale membranei i deci o repartiie inegal a ionilordifuzibili.
Membranele biologice au o permeabilitate diferit pentru diversele specii ionice. n aceast situaie,ionul care difuzeaz mai uor determin apariia unui gradient electric, gradient ce accelereaz difuziaionului de semn opus, astfel nct, la echilibru (egalitatea potenialului electro-chimic n cele doucompartimente) nu se ajunge la egalizarea concentraiilor i anularea diferenei de potenial.
Echilibrul se stabilete n funcie de permeabilitatea membranei pentru fiecare ion. Transportul activimpune un raport bine determinat al concentraiilor, ceea ce duce la o diferen de potenial ntre celedou fee ale membranei.
Gradienii de concentraie, de potenial i de presiune existeni la un moment dat determin untransport pasiv, prin difuzie i osmoz, tinznd s antreneze sistemul spre echilibrul termodinamic.
Transportul activ, prin procese cuplate, impune fore termodinamice constante care ndeprteazsistemul de echilibrul termodinamic, plasndu-l ntr-o stare staionar.Prin aciunea conjugat a factorilor de mai sus se ajunge la un echilibru corespunznd unei stri
staionare. Asta implic: egalitatea potenialului electro-chimic n cele dou compartimente (intra- i extracelular) i
deci anularea transportului net de solvit prin membran; izotonicitatea sistemelor disperse din cele dou compartimente i deci anularea fluxului
osmotic; neutralitatea electric a soluiilor din cele dou compartimente.
26
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
27/52
STABILIREA POTENIALULUI MEMBRANAR DE REPAUS
Din condiia de anulare a curentului (a transportului net) pentru toate speciile ionice, se poatededuce diferena de potenial dintre cele dou fee ale membranei, n funcie de concentraie i depermeabilitate. Se obine relaia Goldman - Hodgkin - Katz, care stabilete polarizarea membranei nrepaus: potenialul de repaus (Vr):
[ ] [ ]
+
+
+
+=
eJAjiJCj
iJAjeJCj
RAPCP
APCP
F
RTV
_
log
unde: Cj = concentraia cationilor difuzibili Aj = concentraia anionilor difuzibili PCj = Permeabilitatea membranei pentru cationul j PAj = Permeabilitatea membranei pentru anionul j e i i = faa extern, respectiv intern a membraneiPrincipalii ioni care intervin n echilibrul membranar sunt Na+, K+ i CI- i deci relaia de mai sus
devine:
[ ] [ ] [ ]eCliNaiKiCleNaeK
RClPNaPKP
ClPNaPKP
F
RTV ++
++
++++
= log
N.B.: Prin convenie, potenialul lichidului interstiial este considerat nul i se ia ca referin, deci
potenialul feei interne a membranei este egal cu diferena de potenial transmembranar, astfel nct
sintagma "potenial membranar" e corect i reprezint potenialul feei citoplasmatice a membranei.
Potenialul membranar poate fi msurat cu microelectrozi ce se introduc n celul. Concentraia
ionilor de Na+ i K+ e meninut de pompa de Na+/K+, compensnd fluxul pasiv al respectivilor ioni.
Ionii de CI-, pentru care, n general, nu exist pompaj activ, se vor distribui n mod pasiv n cele dou
compartimente, astfel nct s fie respectat echilibrul electro-chimic (difuzia datorat gradientului de
potenial e compensat exact de fluxul datorat gradientului de concentraie).
nlocuind n relaia Goldman - Hodgkin - Katz valorile cunoscute (msurate) ale concentraiilor i
permeabilitilor principalilor ioni (Na+, K+, CI-) se obine, pentru diferite celule i diferite specii, un
potenial de -40... -90 mV, n bun concordan cu datele experimentale. Micile diferene sunt datorate
interveniei altor ioni, existeni n concentraie mai mic (Mg2+, Ca2+, etc.), dar care au un rol important n
realizarea funciei anumitor celule i tesuturi (exemplu: muchiul striat, muchiul cardiac).Exemplu: n tabel sunt date concentraiile ionice aproximative pentru axonul gigant de calmar.
Permeabilitatea membranei n repaus pentru principalii ioni se afl ntr-un raport:
PK :PNa: PCl = 1 : 0,04 : 0,45
27
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
28/52
Ionii Mediul
citoplasmatic
(mM/1)
Mediul
interstitial
(mM/1)
Potenialul de
echilibru electro-
chimic (mV)K+ 400 20 -75
Na+
50 440 + 55CI- 52 560 -61Tabel 1: Concentraiile ionice tipice i potenialul de echilibru electro-chimic pentru axonul gigant de calmar
nlocuind aceste valori n relaia Goldman - Hodgkin - Katz, la 25C, se obine: VR = -61 mV,valoare foarte apropiat de datele experimentale.
CIRCUITUL ELECTRIC ECHIVALENT AL MEMBRANEI CELULARE
Membrana celular se comport, din punct de vedere electric, asemenea unei reele de rezistene,condensatoare i surse de tensiune electromotoare.
Concentraia principalilor ioni e diferit pe cele dou fee ale membranei celulare, diferenameninut prin transport activ, ceea ce determin apariia unei diferene de potenial dat, pentru fiecarespecie ionic.
Gradientul de potenial astfel creat determin un curent ionic pasiv, n sens invers celui activ carea stabilit gradientul, deci se comport ca o baterie cu tensiunea electromotoare (t.e.m.) egal cupotenialul Nernst.
Pe de alta parte, membrana opune o anumit rezisten trecerii ionului: acesta pierde o parte dinenergia lui datorit ciocnirilor cu pereii canalului. Se poate deci defini o rezisten R1, a canalului i oconductan g1 = 1/R1. Conductana total a unitii de suprafa a membranei e dat de produsul dintreconductana unui singur canal i densitatea canalelor deschise (N) pentru fiecare specie ionic.
g = g1N
Cu alte cuvinte, conductana membranei definete n termeni electrici permeabilitatea ei.Fluxul ionilor prin membran este astfel determinat de combinaia n serie a unei surse de t.e.m. a
crei valoare e dat de potenialul de echilibru electro-chimic, deci dependent de raportulconcentraiilor, i o rezisten, expresie a permeabilitii membranei.
Consideraiile de mai sus sunt valabile pentru fiecare specie ionic n parte, deci schema electricechivalent a unei poriuni de membran va cuprinde cte o ramur baterie-rezisten corespunztoarefiecrui tip de ion, legate n paralel.
Pe suprafaa membranei, aa cum am vzut la difuzia particulelor ncrcate, se acumuleaz sarcinielectrice. Ele sunt desprite de un mediu dielectric, format de stratul bilipidic, a crui suprafa e de circa
100 de ori mai mare dect a tuturor canalelor la un loc. Acest lucru confer membranei i o comportarecapacitiv, deci schema electric echivalent trebuie completat cu un condensator (C). n consecin, pelng fluxurile ionice, prin membran apare i un curent capacitiv de ncrcare/ descrcare acondensatorului, curent dat de deplasarea de sarcini (Q) la suprafaa membranei, proporional cu valoareacapacitii (C) i cu viteza de variaie a potenialului (V):
28
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
29/52
N.B. Schema electric echivalent descris se refer, n mod expres, la celula neuronal i la ceamuscular striat. Membrana plasmatic a altor celule excitabile poate prezenta diferene semnificative,constnd n: implicarea i a altor ioni (exemplu: calciu); intervenia altor pompe (exemplu: pompa deschimb Na+/Ca2+); valori diferite ale parametrilor etc.
EXCITABILITATEA MEMBRANEI CELULARE
Una din principalele caracteristici ale organismelor vii este reactivitatea, deci capacitatea de arspunde variaiilor mediului ambiant.
Excitantul (stimulul) reprezint o variaie a proprietilor fizico-chimice ale mediului, care poatedetermina o modificare fiziologic a parametrilor sistemului biologic. Pentru a fi eficient, stimulul trebuies fie adecvat sistemului respectiv i s aib anumite caracteristici de intensitate, durat, bruschete, etc. ncercetrile experimentale excitantul cel mai utilizat este cel electric, deoarece e adecvat majoritatiisistemelor biologice i poate fi dozat i msurat cu precizie.
Una din structurile excitabile este membrana plasmatic a anumitor celule, cum ar fi neuronul,fibra muscular, celulele senzoriale, etc.
Excitaia mbrac aspecte diferite:
electrice: modificarea parametrilor electrici ai membranei celulare (impedan, polarizare, curenitransmembranari); optice: modificri de transparen, indice de refracie, polarizare a luminii; . radiante: emisie de radiaii infraroii i uneori vizibile i ultraviolete; chimice: reacii biochimice termice: producerea de cldur.
MANIFESTAREA ELECTRIC A EXITAIEI CELULARE.POTENIALUL DE ACIUNE
Aspectul electric al excitaiei celulare const n variaia tranzitorie a potenialului membranar carspuns la stimul, prin modificarea permeabilitii membranei pentru diferite specii ionice i antrenndcureni transmembranari. Cel mai adesea (celulele neuronale, musculare), rspunsul const ndepolarizarea celulei, deci micorarea electronegativitii feei interne a membranei i chiar pozitivarea eifa de lichidul interstitial. n cazuri speciale apare o depolarizare spontan a membranei. La alte tipuri decelule, membrana se hiperpolarizeaz ca rspuns la stimul.
Exist dou tipuri de rspuns electric al membranei la aciunea unui excitant: potenial electrotonic (local): potenial de aciune (PA).
29
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
30/52
MECANISMUL DE GENERARE A RSPUNSULUI ELECTRICMEMBRANAR. CARACTERISTICI GENERALE
n repaus, membrana celular e foarte puin permeabil pentru ionii de Na+, meninui n
concentraie mare n exterior, prin transport activ; n schimb ea este permeabil pentru ionii de K+, careies pasiv din celul.
Apariia unui stimul determin o depolarizare local a membranei ceea ce duce la deschidereacanalelor de sodiu (comandate electric) i, n consecin, la ptrunderea ionilor de Na+ n celul n sensulgradientului electro-chimic. Urmare a influxului de sarcini pozitive, membrana se depolarizeaz maimult. Efluxul ionilor de K+ i transportul activ introduc o reacie negativ, avnd tendina de a stabiliechilibrul.
S-a constatat experimental c exist canale distincte pentru Na+ i K+, cu o selectivitate foartemare (principiul independenei fluxurilor ionice). Ambele sunt activate (deschise) i dezactivate (blocate)de constitueni polari, sensibili la modificarea potenialului membranar i care determin deplasri desarcin n membran, permind sau mpiedicnd trecerea ionilor. Deschiderea canalelor de potasiu e
mult mai lent dect a canalelor de sodiu. n plus conductivitatea pentru K+ (gK) nu mai poate crete preamult, ea fiind mare i n repaus.
Exist o ntrziere a declanrii rspunsului fa de momentul aplicrii stimulului, ntrzierenumit perioad de laten. Ea depinde de constantele de timp ale reaciilor biochimice care duc ladeschiderea canalelor dc sodiu, de caracteristicile stimulului i de mecanismele membranare implicate.
Potenialul electrotonic
Potenialul electrotonic (local) reprezint rspunsul la stimuli slabi, aflai sub un anumit prag(stimuli subliminari), i caracterizeaz n special zone specializate ale sistemului nervos: membranapostsinaptic potenialul postsinaptic excitator sau inhibitor i celulele senzoriale, unde formeaz
potenialul de receptor i/sau generator. Se manifest prin depolarizarea membranei ori, n anumitecazuri, hiperpolarizarea ei. Este un semnal analogic, modulat n ampiitudine: crete cu intensitateastimulului. Depolarizarea se propag pe distane mici (maximum 1 mm), cu pierderi (propagaredecremental). Dupa o depolarizare uoar, potenialul revine la valoarea iniial, de echilibru, datoritreaciei negative date de efluxul de K+.
Potenialul de aciune
Este caracterisitic sistemului nervos central (SNC). fiind manifestarea electrica a influxuluinervos. Are urmtoarele caracteristici principale:
Apare atunci cind intensitatea excitantului depete un anumit prag (sitmul supraliminar).
Reprezint o depolarizare puternic a membranei, pn la pozitivarea feei interne. Are caracteristici strict determinate (amplitudine, form etc.), indiferent de intensitatea
excitantului (cu singura condiie de a depi pragul): PA este deci de tipul tot-sau- nimic, nsensul ca ori nu apare deloc ori apare avind aceleasi caracteristici.
Intensitatea stimulului se traduce, n general, n frecventa de repetitie a PA; este deci un semnaldiscret. modulat n frecventa.
Se propag n toate direciile, la distane mari, fr pierderi (de fapt nu e o propagare a semnaluluielectric, ci o propagare a excitaiei).
Valoarea pragului difer de la o celul la alta.
30
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
31/52
Mecanismul generrii PA i, n consecin, forma lui sunt deosebit de complexe, recunoscnd maimulte faze
Prepotenial. La inceput, depolarizarea crete lent, ca i n cazul potenialului local.Faza ascendent. La atingerea unei depolarizri critice se declaneaz un proces n avalan
(proces cu reactie pozitiv): ptrunderea sodiului n celul determin depolarizarea membranei celulare,ceea ce, la rndul ei, duce la o cretere a permeabilitii (deschiderea unui numar mare de canale) i decila un influx mai masiv de Na+; depolarizarea se accentueaz, permeabilitatea crete din nou s.a.m.d.
Pragul la care se declaneaz potenialul de actiune corespunde depolarizrii la care influxul de
Na+ este egalat exact de efluxul de K+. Este deci o stare labil, de la care sistemul poate evolua n doudirecii: efluxul de K+ depeste cu puin influxul de Na+, sistemul revine prin reacie negativ, la stareastaionar de repaus; n caz contrar, deci la o cretere a curentului de sodiu, apare o reacie pozitiv datde influxul masiv de Na, n sensul gradientului electro-chimic deosebit de puternic (gradientul deconcentraie i de potenial au acelasi sens).
Transportul activ, mai lent, i efluxul de K+ nu mai pot compensa influx de Na+ att de rapid.Rezultatul e o depolarizare puternic a membranei, pozitivarea ei pn aproape de potenialul de echilibruelectro-chimic al sodiului, care ns nu e atins.
Faza descendent. Spre sfritul fazei ascendente scade din nou permeabilitatea membraneipentru Na, prin blocarea specific a canalelor datorit noii valori a potenialului membranar. Curentul deK+ devine preponderent, cu att mai mult cu ct crete i permeabilitatea membranei pentru potasiu, care
iese masiv din celul, contracarnd influxul de sarcini pozitive. Aceste mecanisme determin scdereamai lent, a depolarizrii pn la potenialul de repaus i uneori. inducnd chiar o uoar hiperpolarizare,numit postpotenial, datorit efluxului mai puiernic de K+.
Concentraiile intra i extracelulare de sodiu i de potasiu vor fi stabilite prin transport activ(pompa dc Na+-K+).
31
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
32/52
Perioada refractar. n faza ascendent i n cea mai mare parte a fazei descendente a PA,membrana e insensibil la aplicarea unui nou stimul: perioada refractar absolut. n faza ascendent,procesul n avalan fiind oricum declanat, un al doilea stimul nu mai poate avea nici un efect.
Spre sfritul fazei descendente ns i n timpul postpotenialului, membrana prezint oexcitabilitate sczut -perioada refractar relativ - dnd un rspuns de amplitudine mai mic.
N.B.: Consumul cel mai mare de energie are loc la restabilirea concentraiilor de repaus, deoarece
aici intervine transportul activ, celelalte faze sunt rezultatul unui complex joc al permeabilitii, prindeschiderea i nchiderea canalelor, implicnd deci transport pasiv.Rspuns repetitiv. Dac intensitatea stimulului este mare sau excitaia e de lung durat,
membrana neuronal rspunde printr-o succesiune de PA. Frecvena de repetiie crete cu logaritmulintensitii i e limitat de perioada refractar.
Se vede aadar c procesul de declanare a PA reprezint a conversie analog-discret, semnalulanalogic modulat n amplitudine (stimul sau potenial electrotonic) e convertit ntr-un semnal discretmodulat n frecven (succesiunea PA, impulsuri avnd caracteristici identice). Transmiterea informaieiprin impulsuri modulate n frecven e caracteristic SNC.
Acomodarea reprezint fenomenul de cretere a pragului de excitabilitate a fibrei nervoase,atunci cnd asupra ei acioneaz un stimul de lung durat.
PROPAGAREA EXCITAIEI. MECANISM
Propagarea pasiv. Proprietile de cablu ale membraneiPentru studiul propagrii excitaiei de-a lungul membranei axonale trebuie avut n vedere
schema electric echivalent. O asemenea schem se obine prin nlnuirea circuitelor echivalente alefiecrei poriuni de membran, legate ntre ele prin rezistene Ri ale citoplasmei.
Rezistena lichidului interstiial e neglijabil, dat fiind volumul mare de electrolit. Se obine astfelo structur de cablu cu elemente distribuite, reprezentat simplificat n figur. S-au neglijat sursele de te.m , iar rezistenele canalelor au fost nlocuite prin rezistena lor echivalent:
ClKNam RRRR
1111++=
Propagarea regenerativ. Curenii localiDepolarizarea membranei celulare ntr-un punct (acolo unde se aplic stimulul) duce la apariia
unei diferene de potenial ntre punctul respectiv i zonele nvecinate. Ca urmare, se va produce odeplasare a sarcinilor pozitive spre regiunile mai electronegative i deci depolarizarea lor. Dacdepolarizarea atinge valoarea prag, se va genera un nou potenial de actiune. Se nchid astfel circuitelocale de curent, numite cureni locali sau cureni Hermann.
32
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
33/52
Viteza de propagareCu ct distana pn la care stimulul reprezentat de curenii Hermann este mai mare, cu att viteza
de propagare a excitaiei crete.Mielinizarea fibrelor nervoase determin o rezisten mare a membranei Rm. Viteza de propagare
saltatorie, de la un nod Ranvier la altul ajunge la 100 m/s. Rezult astfel c la animalele superioare se
obine o vitez de propagare apreciabil, fr mrirea dimensiunilor fibrei nervoase.
33
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
34/52
LASERUL N MEDICIN
Prima sugestie referitoare la teoria laserilor a fost fcut de Einstein n anul 1917, n lucrarea saTeoria cuantic a radiaiilor. Tot el introduce noiunile de emisie spontan i emisie stimulat. Einstein
caracterizeaz radiaia corpului negru prin domenii spectrale i cuante de energie care aparin acestordomenii. Fiecrui atom excitat din cavitatea radiant i se atribuie o anumit probabilitate de emisie nunitatea de timp, precum i o probabilitate de absorbie i de emisie forat (indus), proporionale cuenergia radiaiei. Pentru atomii neexcitai se presupune numai o probabilitate de absorbie. Este punctulde plecare n explicarea funcionrii laserilor.
n 1924 Louis de Broglie a asociat fiecrei micri a unui punct material o und a crei lungimede und se obine din impulsul mecanic al particulei, prin intermediul constantei lui Planck.
Charles Townes, J. P. Gordon i H. J. Zeiger au finalizat, n 1954, cercetrile privind amplificarearadiaiei electromagnetice prin emisie stimulat, prin inventarea maserului.
n anul 1960, T. H. Maiman obine primul efect laser cu rubin. n acelai an acest tip de laser afost folosit pentru prima dat n oftalmologie pentru fotocoagulare.
PRINCIPIUL FIZIC AL LASERULUI
LASER= amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiaii.Laserele sunt acea categorie de dispozitive cuantice care genereaz radiaie electromagnetic
coerent cu lungimi de und cuprinse ntre 100 nm (ultraviolet n vid) i 2 mm (undele milimetrice).Folosirea termenului de radiaie n fizica laserilor se refer la un transfer de energie. Radiaia laser nu esteo radiaie ionizant. Termenul iradiere nseamn, n acest caz, tratarea unei inte cu radiaie laser.
Exist dou tipuri de procese de emitere a luminii de ctre atomii i moleculele substanelor:emisia stimulat i emisia spontan.
Principiul de funcionare a laserelor
Orice laser cuprinde trei pri: mediul activ; sursa de pompaj; cavitatea rezonant.
Partea principal a oricrui tip de laser este constituit de un mediu activ (solid, lichid,gazos sau semiconductor) n care se poate crea o inversie a populaiei ntre dou (sau maimulte) niveluri energetice ale particulelor componente (atomi, molecule, ioni). Un astfelde mediu, care permite o inversie de populaie, poart denumirea de mediu activ laser.
Mediul activ este, practic, o colecie de atomi, molecule sau ioni care absorb energie de la o sursextern i prin procese atomice complexe genereaz radiaie laser. Caracteristicile materialului din care
este constituit mediul activ determin parametrii funcionali ai laserului, inclusiv lungimea de und. Pentru ca ntr-un mediu s se poat crea starea de inversie de populaie, adic s devin
mediu activ, el trebuie s primeasc energie din exterior, de la o surs special, carepoart denumirea de surs de pompaj. Ea are rolul de a pompa atomii, moleculele sauionii pe un anumit nivel energetic superior. Sursele de pompaj sunt formate din lmpi cunalt presiune, cu luminozitate foarte mare aa numitele flashuri care dau pompajuloptic sau descrcarea electric direct n mediul activ gazos.
Pentru a obine o amplificare semnificativ a radiaiei emise n mediul activ, acestatrebuie plasat ntr-o cavitate rezonant. Cavitatea rezonant are proprietatea de a crete
34
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
35/52
densitatea radiaiei emise de mediul activ din interiorul tubului su prin reflexii multiplepe pereii si, deci mrete drumul undelor prin mediul activ i astfel sporete intensitateaemisiei stimulate.
Rezonatorul laser const din dou oglinzi, una total reflectant i cealalt cu o reflectivitate maimic de 100%, care transmite radiaia laser din rezonator n exteriorul su, fiind transparent pentrulungimea de und a laserului.
Regimuri de funcionare a laserelor
Laserele funcioneaz fie n und continu, fie n impulsuri. Atunci cnd puterea unui laser semenine la nivel constant pentru perioade lungi de timp (secunde, zeci de secunde), se spune c laserulfuncioneaz n und continu.
Regimul de funcionare n impulsuri a laserilor mbrac o mare diversitate. Cel mai simplu tip defuncionare al laserilor n impulsuri este cel n care un fascicul laser continuu este ntrerupt periodic de unobturator comandat sau de un disc rotitor cu fante. Puterea de vrf a impulsului este cea a laserului nund continu iar frecvena de repetiie a impulsurilor variaz ntre civa Hz i civa kHz.
Proprietile fasciculului laser Coerena. Generai de emisia stimulat, fotonii formeaz o avalan unic, caracterizat n
particular printr-o direcie de micare determinat. Aceasta este lumina coerent. Toate trenurilede unde sunt ndreptate n acelai sens, au aceeai lungime de und i se afl n faz ntre ele.Toate acestea sunt urmarea emisiei stimulate a luminii. n cazul emisie stimulate, trenul de undsecundar copiaz identic trenul de und primar, ca direcie, sens al micrii, lungime de und ifaz.
Direcionalitatea este rezultatul faptului c radiaia emis are o divergen foarte mic. Aceastaface ca la distane mari s gsim radiaia laser sub forma unui fascicul ngust, cu densitate deputere foarte mare. naltul grad de coeren se manifest i printr-o foarte mic divergen afasciculului laser. n fasciculul cu nalt grad de coeren ns, toate aceste raze sunt practicparalele i n plus monocromatice. Asemenea raze pot fi focalizate, practic ntr-un punct.
Densitatea ridicat de putere caracterizeaz puterea fasciculului laser pe unitatea de suprafa.Deoarece fasciculele laser sunt nguste, aceast densitate devine foarte mare. De exemplu, ncazul unui laser He-Ne de 1 mW, cu diametrul fasciculului de 0,4 mm, rezult o densitate mediede putere de 0,5 W/cm2. Pentru fasciculele de mare putere focalizate densitatea de putere atingeuor 1011 1012 W/cm2. Chiar n cazul unui laser de mic putere intensitatea fasciculului laser estede circa 104 ori mai mare dect intensitatea soarelui.
Monocromaticitatea desemneaz faptul c fasciculul laser emis este foarte ngust din punct devedere spectral, avnd deci o lungime de und foarte precis determinat. Monocromaticitatearadiaiei laser este cu cteva ordine de mrime mai bun dect a surselor clasice de lumin.Aceasta are ca efect stimularea unor reacii selective n mediile cu care interacioneaz.
Interaciunea laser esut
Interaciunea laser-esut reprezint un fenomen complex, influenat de parametri diferitelor laserei de proprietile esuturilor.
Dac un fascicul laser ajunge pe un esut se pot produce patru procese: reflexia (ntoarcerea undei laser la surs sau la alt suprafa);
35
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
36/52
absorbia (fenomenul principal care afecteaz esutul); dispersia (energia fasciculului laser ce se disipeaz n esut spre locuri nedorite); transmisia (lumina trece, este transmis prin esut i doar o mic parte este absorbit).
n esuturile biologice radiaia absorbit este transformat n alte forme de energie (caloric,chimic), acionnd n interiorul esutului care a absorbit-o i mprtiindu-i efectele n zonelenconjurtoare.
Mecanismul interaciei este foarte complex i trebuie studiat n corelaie direct cu timpul dereacie din partea esutului, dar i cu nivelul de organizare biologic (fig.2)
Procesele de interaciune a lase rului cu esutul:1. fotochimice,2. termice,3. fotomecanice,4. neliniare
1.Efectele fotochimice (n spe biostimularea) au loc la densiti foarte mici de putere, ntre 10-3 i 1 W/cm2, dar necesit timpi lungi de iradiere de ordinul 10-1000 secunde.
Suita de astfel de efecte se include n terapia fotodinamic cu laser i const ntr-un efect imediat
la nivel molecular i structural organic (fig.4), inta principal fiind mitocondriile sau lizozomii.Efectele fotochimice sunt specifice ndeosebi laserelor pentru biostimulare, a cror putere este sub1 W. Efectele produse de aceste lasere pot fi mprite teoretic n primare (directe) i indirecte.
Efectele directe pot fi:1) Biochimice, manifestate prin:
stimularea eliberrii substanelor preformate: histamin, bradichinin,serotonin; modificarea reaciilor normale ale enzimelor, fie inhibndu-le, fiestimulndu-le; stimularea producerii ATP; accelerarea mitozelor.
2) Bioelectrice, constau n normalizarea potenialului de membran al celulei,intervenind n reglarea pompei de Na.3) Bioenergetice. Radiaia laser confer celulelor esuturilor i organelor o energie solid,stimulndu-le tropismul i fiziologia celular, normaliznd deficienele i rectificnddezechilibrele celulare.
Efectele indirecte sunt reprezentate prin:1) Stimularea microcirculaiei. Aciunea laserului are efect asupra sfincterului precapilarpe care l menine deschis i astfel stimuleaz microcirculaia. Acesta are ca efectmbuntirea troficitii n zon datorit creterii procentului de oxigen i substanelornutritive cu scderea cataboliilor.2) Creterea troficitii locale se realizeaz prin creterea ATP-ului mitocondrial i
accelerarea mitozelor celulare.Terapeutic, efectele directe i indirecte se materializeaz prin: efect analgetic, antiinflamator,antiedematos, normalizarea circulaiei locale i efect de biostimulare.
Mecanismul interaciunii fotochimice se poate explica prin transformarea energiei laser ntr-oenergie chimic, datorit absorbiei unui foton de ctre un cromofor molecular i transformarea moleculeirespective ntr-o molecul excitat. Ulterior, aceast molecul poate participa la o reacie chimic,fotonul acionnd ca un reactiv care este consumat stoechiometric ntr-o reacie fotochimic, ce are loc cuobinerea n final a unui produs fotochimic. Astfel de reacii sunt reprezentate de desfacerea legturilor,formarea legturilor ncruciate, formarea unui radical ce determin leziuni oxidative sau fotodistrucia
36
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
37/52
cromoforului. Cromoforul molecular poate fi de natur endogen (gruprile laterale ale aminoacizilor,pigmenii hematici) sau pot fi de natur exogen, reprezentai de moleculele introduse special norganism.
Acest mecanism st la baza terapiei fotodinamice. n practic, se utilizeaz pentru distrugereacelulelor canceroase. Procedeul se bazeaz pe injectarea n organism a unui cromofor exogen care se vaacumula cu predilecie la nivelul celulelor canceroase. Sub aciunea radiaiei laser, cromoforul va absorbi
fotonii care vor reaciona cu oxigenul, rezultnd un produs toxic ce va distruge celulele canceroase.Eficiena terapiei depinde de trei elemente eseniale: cromoforul molecular, radiaia laser i concentraiade oxigen.
2 Efectele termice (n spe evaporarea, tierea i coagularea esuturilor) apar la densiti, puterifoarte mari de pn la 1010 W/cm2 i la timp de expunere foarte scurt, ntre 1 ms i 100 s.
Diferitele efecte termice ale laserului se pot descrie pe baza temperaturii atinse i a durateiexpunerii, dar i pe baza particularitilor optice ale esutului i lungimii de und utilizate (tabel 1).
Temperatur Efect tisular37C fr leziuni tisulare ireversibile
40 - 45C inducie enzimatic; edem; fragmentare membranar i, nfuncie de durat, moarte celular60C denaturarea proteinelor, coagulare iniial i necroz80C denaturare colagenic, defecte de membran100C uscare
peste 150C carbonizare>300C evaporare
Tabel nr.1 - Efectul radiaiei laser asupra esutului viu, n funcie de temperatur
Efectele fototermice ale radiaiei laser se bazeaz pe conversia energiei electromagnetice alaserilor n energie termic i sunt utilizate n terapie (fototermoterapie) sau chirurgie (efecte termice
locale distructive). Efectele fototermice se bazeaz pe efectul de nclzire a esuturilor datorit relaxriineradiative a excitaiei laser.
Cnd un cromofor din esut absoarbe un foton, o parte din energia de excitaie se relaxeazneradiativ i conduce la creterea temperaturii n cromofor i apoi n mediul nconjurtor. Efectelefototermice se obin prin focalizarea fasciculului laser n spoturi cu dimensiuni de civa m sau mm.
La nivel microscopic, procesele fototermice i au originea n absorbia n volum ce are loc nbenzile de vibraie rotaie moleculare sau n sistemul de nivele vibraionale ale celei mai coborte strielectronice, urmat de termalizarea rapid prin dezexcitare neradiativ. Efectele de nclzire caracteristicesunt controlate n principal de absorbia intei moleculare, adic apa, proteinele, pigmenii sau altemacromolecule, precum acizii nucleici i substanele aromatice.
Efectele fototermice asupra esuturilor se manifest prin trei categorii de aplicaii: hipertermia , n care afectarea lent i la temperatur cobort a esutului cauzeaz
distrugerea structurilor labile, cum ar fi proteinele enzimatice i conduce la disfunciicelulare, eventual la necroza esutului. n general, hipertermia implic o expunere lung lao temperatur moderat ridicat, efectele nefiind vizibile imediat. Energia termic cauzeazdenaturarea i agregarea ireversibil a macromoleculelor din interiorul celulelor, ceea ceafecteaz procesele metabolice. Aceasta duce n final la moartea celulei. Esenial estefaptul c acest proces cauzeaz efecte minore n esuturile normale, dar celor cancerigenele confer un grad mare de susceptibilitate, fcndu-le astfel sensibile la radiaii;
37
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
38/52
coagularea esuturilor la temperaturi mai ridicate cauzeaz nu numai agregarea proteinelorlabile, dar i distruge molecule structurate ca hemoglobina i colagenul, determinndmodificri evidente imediate n esut. Practic, datorit coninutului proteic crescut alcolagenului, la o temperatur mai mare de 60C, proteinele ncep un proces de denaturarecu deformarea structurii i modificarea lanurilor proteice. Micorarea cantitii de colagenexplic proprietile hemostatice ale radiaiei laser. Explicaia deriv din coninutul crescut
n colagen al pereilor vasculari. Astfel, prin creterea temperaturii, lumenul vascular semicoreaz pn la obliterare total; ndeprtarea esuturilor prin ablaie implic evaporarea rapid i vaporizarea exploziv.
Cnd temperatura esutului iradiat crete mai mult de 100C, apa n celule ncepe s fiarb.Transformarea apei n vapori reprezint o expansiune iminent i, pentru celule, la oputere normal a unui laser chirurgical, aceasta este aproape instantanee, pereii celuleifiind distrui rapid.
Distrugerea fototermic se poate obine prin localizarea transmiterii energiei laser, utilizndfascicule nguste sau fibre optice i prin localizarea absorbiei prin folosirea unei lungimi de und careeste absorbit preferenial de o anumit structur din esut fa de esutul nconjurtor. De exemplu,hipertermia indus de laser prin fibr optic produce o leziune extrem de localizat n ficat, crend o zon
de necroz de 1 cm diametru. Aceast tehnic se numete terapie termic interstiial, n care extindereanecrozei este controlat de timpul de expunere, iar fibra optic este ghidat n esutul patologic prinRMN.
Odat ce temperatura esutului se apropie de temperatura de prag pentru vaporizarea apei (100C),efectele fototermice ale interaciilor laser-esut se nscriu sub influena:
energiei necesare pentru schimbarea de faz a apei; deshidratrii esutului; formrii vacuolelor cu vapori n esut; efectelor mecanice datorit expansiunii rapid a vacuolelor cu vapori n esut.
Sub influena iradierii laser se formeaz bule n esutul nclzit, sub suprafaa sa. Dac iradiereacontinu, bulele se mresc i se sparg exploziv. Aceast serie de evenimente formeaz efectul de
microexplozie (popcorn).Vacuolele ce se sparg la suprafaa esutului determin eliberarea vaporilor de ap i, prindisiparea gazului fierbinte, suprafaa se rcete momentan. Cldura mare de vaporizare a apei esteavantajoas, deoarece vaporii generai ndeprteaz excesul de cldur, prevenind astfel creterea ncontinuare a temperaturii n esutul adiacent. Studii histologice ale craterelor realizate cu nclzire relativlent arat c acestea nu se formeaz datorit pierderii de mas n esut, ci sunt rezultatul fuzionrii,expansiunii i ruperii grupurilor de vacuole.
n medicin efectele fototermice se reduc, n esen, la evaporarea, secionarea i coagulareaesuturilor. Aceste procese pot fi produse cu diferite tipuri de lasere ale cror densiti de putere variazntre 1 W/cm2 i 106 W/cm2, iar ca durat de iradiere se ntind de la milisecunde la mai multe secunde.
Diferitele efecte termice pot fi descrise pe baza temperaturii atinse prin folosirea undei laser i a
duratei acestei aciuni. n funcie de caracteristicile optice ale esutului, la lungimile de und folosite,aceste temperaturi pot fi obinute n esut cu puteri diferite i cu durate de iradiere diferite.Efectul termic al radiaiei laser n esut se bazeaz pe absorbia radiaiei i transformarea energiei
laser n cldur. n funcie de intensitatea absorbiei se nmagazineaz n esut o anumit putere/ volum in funcie de durata iradierii se depune o anumit energie/volum.
n profunzimea esutului, cantitatea de radiaie absorbit scade (legea Lambert-Beer), ceea censeamn c i energia termic i, implicit, temperatura scad n adncimea esutului.
In vivo, prin fluxul sanguin local, cldura este transportat la distan de esutul supus razei laser.n mod teoretic se consider c relaiile termice ale unui esut sunt determinate de trei factori:
38
-
8/1/2019 cursuri biofizica - MD
39/52
1. conductibilitatea termic - fluxul de cldur este direct proporional cu diferena detemperatur pe unitatea de lungime;
2. acumularea de cldur - poate fi definit printr-o constant material: aa numita cldurspecific;
3. transportul cldurii prin fluxul sanguin i alte mecanisme.Rata de irigare sanguin influeneaz profunzimea ptrunderii cldurii. Organele slab irigate cu
snge, ca esutul adipos, pot fi mai uor lezate termic dect organele abundent irigate cu snge. Influenavascularizaiei este, ns, neglijabil cnd durata expunerii depete cu mult rata irigaiei sanguine.n funcie de temperatur, efectele termice asupra esuturilor pot fi clasificate astfel: pn la 37C
nu se produc leziuni tisulare ireversibile; ntre 40-45C apar inducie enzimatic, edem, membranacelular devine lax i, n funcie de temperatur, se poate produce moartea celular; la o temperatur de60C denaturarea ireversibil a proteinelor, coagulare i necroz incipient; la 80C denaturareacolagenului, defecte de membran; la 100C uscarea, vaporizarea apei tisulare, secionare, ablaie; lapeste 150C carbonizare, ardere; la peste 300C vaporizare, gazificare, leziuni termomecanice, unde deoc (vezi i tabel 1).
Diferitele efecte termice ale razei laser nu se observ niciodat separat, ci ntot