MATERIA VIECaracteristica esenialSe autogenereaz, i conserv structura i integritatea prin metabolism = schimb de energie sau materie cu mediul exterior

Manifestarea extern a proceselor biologice : la scar celular i la scar macroscopic- chimice = produi de dezasimilaie, consum de elemente chimice- mecanice = contracii, dilataii, modificri de form- electrice = biosemnale

Organizarea materiei vii- supracelular esuturi organe aparate sisteme (corpul ntreg)- subcelular celula = elementul de baz la nivelul cruia mai exist metabolism

citoplasmcitoplasmnucleunucleu

membranmembran

Organizarea subcelularBiofizica Biofizica celulacelula

celularcelularorganiteorganite

nucleunucleumitocondrimitocondricloroplastecloroplaste

aparat Golgiaparat Golgi

Biofizic Biofizic MolecularMolecular

aansambluri supramoleculare nsambluri supramoleculare cu masa cu masa molecularmolecular 101066--101099 uu

ribozomi ribozomi complexe enzimaticecomplexe enzimaticesisteme contractilesisteme contractilemicrotubulimicrotubuli

structuri structuri supramoleculare supramoleculare specific biologicespecific biologice

macromolecule ( biopolimeri) macromolecule ( biopolimeri) cu masa molecularcu masa molecular 101033--101099 uu

acizi nucleiciacizi nucleiciproteineproteinepolizaharidepolizaharide

lipidelipide

unituniti monomerice cu mas i monomerice cu mas molecular molecular 100100--300 u300 u

nuleotidenuleotideaminoaciziaminoacizimonozaharidemonozaharideacizi graacizi grai si glicerini si glicerin

molecule molecule i precursori i precursori intermediari metaboliciintermediari metabolici CO

CO22 , , HH22O , NHO , NH3 , 3 , piruvat, citrat etcpiruvat, citrat etc

entitentiti i moleculare moleculare ( chimice)( chimice)

ChimieChimieorganicorganic

i i biochimiebiochimie

Fore interatomice i intermoleculare

r

r

r4qq

F 221

=

pi

r

qqWpi4

21=

0=drdW

formarea legturilor chimicedispunerea spaial a componenilor moleculari

- natura forelor-- electric bazat pe legea Coulomb

- determin

Energia potenial de interaciune electrostatic dintre dou sarcini punctiforme este:

Echilibru: => r = r=> r = ree

r = re

W

r

pentru doi (atomi) ioni ( Na+Cl-)

Formarea legturilor chimicedatorit electronilor de valen

nemperecheai ( Teoria spinului electronic)

Stri energetice ale moleculelor

evrttot EEEEE +++=

translaie rotaie vibraie pturilor electronice

spectru energetic

continu cuantificat

Legturi chimice

legturi primare ( tari ) 100 kcal/mol

- legtura London Van der Waals- dipolar- q

- legtur ionic- legtur covalent

r

+ q M

p dqp = ( )

+

= 533

41

r

rprr

pEM pi

3Mr4rp

=

pi

Energia de interaciune dintre un dipol permanent i o sarcin punctiform

Epqr

rpqW M =

== 34pi r

r

qE = 304pi

Energia de interaciune dintre doi dipoli permaneni

EpW = ( )( )

= 5

2121123

21 341

r

prprr

ppWpi

-- dipoli indui

extEp =

extE

d

+-

dipolul indus de o sarcin punctiform : pi

+= 2

r

q4

1p

- energia de interaciune dintre un dipol indus i o sarcin punctiform

pi

pipicos

441

4 233

+=

== rr

qr

qr

rpqpqW dip

( ) 422

4cos

r

qWpi

+= dar dar 0180= ( ) 42

2

4 rqW

==>pi

+ - +indusp

rqp

r0180=

- energia de interaciune dintre un dipol permanent i un dipol indus ( ) ( ) ( )

2

5322

dipdipdipdipindr

rpr3r

p

41EEEEpW

+

====

pi

( )( )( )

( ) ( ) 622

6

2

6

2

2810

24

6

2

2 443

469

4 rp

r

pr

pr

prprr

prr

pW

=

+

=

+

=

pi

pi

pi

p = dipol permanent

- + - +rpermp indp permanentind Ep =

ion ion

ion dipol permanent

ion dipol indus

dipol permanent dipol indus

rW 1~

21

~

rW

41

~

rW

61

~

rW

Puni de hidrogen- fore electrostatice dipolare ntre gruparea OH i perechea de electroni liberi ai oxigenului

sau punte dubl ntre un atom O i o grupare NH

- sunt legturi slabe, 1/10 din fora legturilor covalente

- reduc rotaiile moleculare

- apar n form de dubl elice a moleculelor ADN

molecula molecula 1 2

apare dac un atom H legat chimic de un atom electronegativ, O sau N, este situat n apropierea

altui atom electronegativ, O sau N

R CO

O H O

H O

C R

punte hidrogen

punte hidrogen

R CO H N

N H OC R

NH

C

C

O

CO

N

CH

Interaciunea hidrofob

- moleculele hidrofobe, ( acizii grai), dizolvate n ap, se vor asocia, din cauza respingerii lor de ctre moleculele de ap

Manifestri electrice ale celulei vii

Celula == unitate elementar a materii vii unitate elementar a materii vii

Clasificaredup funcia ndeplinitdup relaiile cu alte celule i cu mediul

Compozite membran, citoplasm, nucleuProtoplasm = att materia vie n evoluie ct i ntregul coninut al celulei

Compozitia membranei

-fosfolipide -proteine

dispuse in strat dublu

fosfolipide (hidrofile, polare, solubile in apa)

acizi grasi (hidrofobi)

Membrana celulara

Membrana celulara

Potenialul celular de repaos

Activitatea celulei se urmrete la nivelul membranei prin schimbul de ionicu exteriorul teoria ionic a lui Hodgkin i Huxley

Ioni ce particip la schimb : K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, etc

Cei mai importani ioni n interior i exterior :K+, Na+ - au concentraii diferite

K+, Conc. int = (20-40) Conc extNa+, Conc. ext = 10 Conc. int

Cl-, [ ][ ] 14=

i

e

ClCl

Celula n repaos. Schimbul de ioni

- interiorul celulei este NEGATIV din cauza anionilor organici - cmp electric spre interior- fore de difuziune este orientat spre concentraia mai MIC

- relaia lui NERNST

+K

exterior

eriorint

1

2 lg6,61lnCC

CC

FnRTV =

=

-

-

-

+

+

+

E

dF

eF

dF

dF

eF

+Na

+Na

Cl

Cl

+K

Er

eFr

[Cl-]i < [Cl-]e

[K+]i > [K+]e

[Na+]i < [Na+]e

Clint ext dF

eFechilibru mVVCl 90=

2) Ionii potasiu +Kint ext dF

eF cvasiechilibru deoareceed FF

mVCCV

e

iK

9591lg6,61 ==+

3) Ionii +Na int extdFeF mVC

CVe

iNa 62lg6,61 ==+

nu exist echilibruMembrana are permeabilitate mic fa de Na+

Pentru transportul ionilor de Na+ spre exterior se utilizeaz energia metabolicLa ieirea unui ion de Na+ n exterior atunci un ion K+ intr n celul Pompa Na

+, K+, ionic

1) Ionii de clor

Sodium-Potassium pump, an example of Primary active transport

Mecanisme de schimb ionic

- ionii K+ trec din interior spre exterior (fore chimicee))Cext < CintVext< Vint

- diferena de potenial se opune trecerii n continuare a ionilor spre interior.Rezult echilibru dinamic

+K

n repaos [ ] [ ] [ ] [ ]eeii ClKClK ++ = echilibru de membran Donnan- trec din exterior spre interior

Cext > CintVext> Vint

+Na

Potenialul celular apare din cauza diferenei de concentraie.Valoarea lui este dat de relaia NERNST

[ ]mVCCV

extcelulei

celuleiintlg6,61=

30int =++

Kext

K

CC

Ex. KK++,, rezult mVVK 90=++KV este pozitiv n interior fa de exterior

Ex. ,+Na++

NaextNa CC int rezult mVVNa 62=+

+NaV este negativ n interior fa de exterior

Membrana are un caracter selectiv fa de ioni datorit :

- dimensiunilor diferite ale ionilor- afinitii diferite fa de ap

ExteriorExterior MembranMembran InteriorInterior

+K

++

-

-Er

dFr

eFr

eFr

dFr

K+ ioni ce vin din exterior spre interior

K+ ioni pompai de diferena de potenial i degradientul de concentraie

Na+ ioni ce pleac spre exterior

Na+ ioni pompai de diferena de potenial igradientul de concentraie

Celula este negativ n interior din cauza ANIONILOR organici => cmp spre interiorE

r

+K

+Na

-

+

+

-

91

62

n repaos celula este polarizatexteriorinterior

+-

potenial de repaos celular u

Schema echivalent

ExteriorExterior Interior Interior MembranMembran

u

C

+kR

+NaR -

- +

+

+KV

+NaV

=+ kRK 1=+ kRNa 150

2/1 cmFC =2/10 cmFC =

- celula nervoas- celula muscular

n repaos curentul total prin membran este zero

oII KNa =+ ++U = - 90 mV

Transportul de ioni prin membrana

Mecanisme de transport

1. Difuzie (gradient de concentratie)

2. Osmoza (afinitate fata de solventi)

3. Exocitoza (daca o vezicula atasata membranei se deschide spre exterior si elimina substanta)

4. Fagocitoza (daca membranea se deformeaza si include o formatiune din exterior)

Transportul de ioni prin membrana

Transportul activ de ioni prin membrana

Transport activ de ioni; se realizeaza impotriva gradientului de concentratie. Pompa Na / K

Energia este furnizata de hitroliza ATP (adenozina trifosfatica)

ATP (adenozin trifosfat)The structure of ATP has an ordered carbon compound as a backbone, but the part that is really critical is the phosphorous part - the triphosphate. Three phosphorous groups are connected by oxygens to each other, and there are also side oxygens connected to the phosphorous atoms. Under the normal conditions in the body, each of these oxygens has a negative charge, and as you know, electrons want to be with protons - the negative charges repel each other.

ATP (adenozin trifosfat) These bunched up negative

charges want to escape - to get away from each other, so there is a lot of potential energy here.

If you remove just one of these phosphate groups from the end, so that there are just two phosphate groups, the molecule is much happier. This conversion from ATP to ADP is an extremely crucial reaction for the supplying of energy for life processes. Just the cutting of one bond with the accompanying rearrangement is sufficient to liberate about 7.3 kilocalories per mole = 30.6 kJ/mol. This is about the same as the energy in a single peanut.

Hidroliza ATP

ATP-ADT

The sodium-potassium pump moves toward an equilibrium state with the relative concentrations of Na+ and K+ shown at left.

Pompa Na+ / K+

Potenialul de aciune al celulei

Stimuliexcitanti acioneaz n sensul depolarizrii celulei (tinde s

micoreze valoarea absolut a potenialului de repaos)inhibitori accentueaz polarizarea celulei

Prag de stimulare

Dac durata i amplitudinea stimulului depesc o anumit valoare, atunci procesul de trecere a ionilor nu mai poate fi controlat de ctre stimul i se produce o trecere n avalan a ionilor prin membran i celula se depolarizeaz.

Obs. Sub aciunea unui stimul excitant membrana devine mai permeabil pentru ionii de Na+, dar nu-i schimb permeabilitatea fa de ionii de K+.

curent de stimularecurent de stimulare

stimul excitantstimul excitant

stimul inhibitorstimul inhibitor

VVcelulcelul[mV][mV]

TT00

tt

stimul inhibitorstimul inhibitor

+20+20

tt

prag deprag destimularestimulare

--9090DepolarizareDepolarizare RepolarizareRepolarizare PotenPotenial ial

de repaosde repaos

q q electricelectricq q electricelectric

egaleegale

tt

Msurtori

- n vivo = pe viu- n vitro - n soluie care s reproduc ct mai fidel condiiile reale ale celulei vii

Se folosesc doi electroziunul se introduce n celul

unul n exterior

Introducem doi electrozi n soluie i in celul.n repaos curentul prin membran este zero. Tensiunea ntre electrozi = 0.Stimulm celula intr ioni pozitivi n celul apare tensiune tensiunea dispare cnd celula este depolarizat apare din nou la repolarizare

DepolarizareDepolarizare

RepolarizareRepolarizare

UUextracelulaextracelula

Bibliografie

1. Biofizic, Elena Dragomir, Liviu Enache

2. Electronic medical, Rodica Strungaru

3. Aparatura electronicii medicale, T.D. Gligor, A. Policec

4. Magnetismul n biologie, I.A Holodea

5. Electronic medical, A. Poicec, T.D. Gligor

6. Biofizic, M. Isac, C. Filipescu

7. Biofizic, Tudor Porumb