Biofizica

Curs 8

Fenomene moleculare

Fenomene termice

Termodinamica

• Aceste fenomene sunt datorate structurii

moleculare a substanţelor, a forţelor

intermoleculare şi a mişcării moleculelor.

Teoria cinetică și interpretarea moleculară a

temperaturii

Ipotezele teoriei cinetice ale gazului ideal:

• Conține un număr mare de molecule ce se

deplasează în direcții aleatoare cu o varietate

de viteze,

• moleculele sunt departe una de alta,

• molecule respectă legile mecanicii clasice și

interacționează numai atunci când se

ciocnesc,

• coliziunile sunt perfect elastice

Teoria cinetică și interpretarea moleculară a

temperaturii

În urma calculelor rezultă:

Energia cinetică medie de translatie a

moleculelor într-un gaz ideal este direct

proporțională cu temperatura gazului.

kTvmc2

3

2

1 2

Temperatura

Temperatura este o măsură a cât de cald sau

rece poate fi un obiect .

Substanțele, când sunt încălzite :

•Își modifică temperatura (crește), cu păstrarea

stării de agregare.

•Își modifică dimensiunile (se dilată).

•Își schimbă starea de agregare, când

temperatura rămâne constantă.

Termometre

• Sunt instrumente cu ajutorul cărora se

determină temperatura mediilor cu care

acestea vin in contact.

• Se bazeaza pe variația parametriilor

mediului în raport cu temperatura:

– volumul (dilatare termica a mercurului,

alcoolului),

– rezistenta electrica (termocuplul).

Temperatura și Termometre

Temperatura este în general

măsurată folosind scala

Celsius.

Punctul de îngheț a apei este

la 0°C; punctul de fierbere a

apei este la 100°C.

Termometre

Temperatura Absolută

Conceptul de zero absolut ne permite să definim

scala de temperatură absolută.

15,273)()( CtKT

Echilibrul termic

Două obiecte aflate în contact termic vor ajunge

în cele din urmă la aceeași temperatură ; sunt

în echilibru termic.

Legea zero a termodinamicii spune că dacă

două obiecte sunt fiecare în echilibru cu un al

treilea obiect, ele sunt, de asemenea, în

echilibru termic între ele.

Dilatarea termică

Dilatarea liniară apare

când un obiect solid

este încălzit.

α este coeficientul de dilatare liniară.

Dilatarea termică

Dilatarea în volum este similară cu cea liniară și

este relevantă atât pentru lichide și gaze cât și

pentru solide:

β coeficientul de dilatare în volum.

Pentru solide uniforme,

Dilatarea termică

Apa se comportă diferit față de majoritatea celorlalte solide

- volumul său minim este atunci când temperatura sa este

de 4 ° C. Pe măsură ce se răcește volumul ei crește.

Schimbările de faze

Diagrama PT se numește diagramă de fază; arată toate

cele trei faze ale substanței.

Tranziția solid-lichid este topirea sau solidificare;

Tranziția lichid-vapori este de fierbere sau de

condensare;

Tranziția solid-vapori este sublimare-desublimare.

Diagrama de fază a

apei.

Presiunea vaporilor și umiditatea

Apa dintr-un container dechis se

evaporă, nu fierbe. Cele mai rapide

molecule evadează de pe suprafața

apei, astfel încât evaporarea este un

proces de răcire.

Procesul invers se numește

condensare.

Când procesele de evaporare și

condensare sunt în echilibru, vaporii

imediat deasupra lichidului se spune

că sunt saturați, iar presiunea este

presiunea vaporilor saturați.

Presiunea vaporilor

Presiunea vaporilor

saturați crește odată cu

temperatura.

Fierberea

Un lichid fierbe

atunci când

presiunea vaporilor

saturați egalează

presiunea externă.

BIOFIZICA SISTEMELOR

DISPERSE

Sistemul dispers

Amestec de doua sau mai multe substanțe

ce are:

1.componenta dispersanta (solventul).

2.componenta dispersata (solvitul).

Criterii de clasificare

• dupa dimensiunea particulelor solvitului (grad de dispersie D=1/d):

– Soluții adevărate (moleculare)

– Soluții coloidale:

– Suspensii:

• Dupa starea de agregare a solventului:

– Gazoase (amestecuri gazoase, ceata)

– Lichide (solutii de electrolit)

– Solide (aliaje)

nmdmD 1,10 19

nmdnmmDm 1001,1010 1917

nmdmD 100,10 17

În organism

• Soluții moleculare

• Coloizi

• Suspensii

• Sângele este în același timp:

– Soluție pentru cristaloizi (Na, Cl, K)

– Coloid (conține proteine: serumalbumine, globuline)

– Suspensie (conține elemente figurate)

Soluții moleculare

Solubilitatea

• Soluția ideală = solutia foarte diluata al carei

comportament poate fi prevazut teoretic.

Saturatia:

• Este concentratia limită a solvitului la care

acesta nu se mai dizolva Soluție saturată.

– Depinde de natura solventului si a solvitului,

temperatura si presiune.

Suspensiile

• Sunt sisteme disperse care au gradul de dispersie cuprins în intervalul Suspensiile pot fi solide şi lichide sau gazoase.

– Suspensiile medicamentoase sunt suspensii solide care se prepară printr-o mărunţire mecanică şi dispersarea particulelor în mediul de dispersie sau prin scăderea solubilităţii anumitor substanţe dizolvate.

– Aerosol = solutie pulverizata de substante medicamentoase solide dizolvate intr-un lichid.

1715 1010 mDm

Solvirea gazelor

• Gazele se pot dizolva (solvi) în lichide dând naştere

soluţiilor de gaze în lichide. În natură acest fenomen

joacă un rol important, deoarece asigură desfăşurarea

unor reacţii chimice specifice vieţii.

• Solvirea gazelor în lichide se face în conformitate cu legile

Henry Dalton:

– cantitatea de gaz ce se dizolvă în unitatea de volum de

lichid este proporţională cu presiunea gazului de

deasupra lichidului sau cu presiunea partiala a gazului

in amestec.

Solvirea gazelor

• În cazul unui amestec de gaze, fiecare gaz se dizolvă în

solvent ca şi cum s-ar afla singur în contact cu lichidul,

cantităţile de gaz solvite fiind proporţionale cu presiunile

lor parţiale (ale gazelor componente).

– pi – presiunea parţială,

– K – constantă de proporţionalitate, dependentă de

temperatură şi de natura gazului – solvent.

ii pKC

Solvirea gazelor

• Coeficientul de solubilitate = raportul dintre volumul

maxim de gaz solvit şi volumul solventului,

– depinde de natura gazului, a solventului şi de

temperatură.

• Coeficientul de solubilitate scade odată cu creşterea

temperaturii, devenind zero la temperatura de fierbere

a solventului.

Solvirea gazelor

• În organismele vii, gazele se află în trei situaţii:

– nedizolvate, în alveolele pulmonare, sinusuri, etc.

– dizolvate în diferite lichide, plasmă, sânge ( , - mai putin solubil in lichidele biologice)

– combinate cu unele molecule (de ex. sub formă de oxihemoglobină)

2O

2O 2H

• Aparitia bulelor de CO2 la suprafata lichidului gazos la

deschiderea recipientului ca rezultat al egalizarii presiunii

partiale cu cea atmosferica.

• creşterea presiunii CO2:

– La suprapresiuni mici: efect stimulator

– La suprapresiuni mari: efect toxic - acidoza

• Boala de decompresie = azotul depozitat in

tesuturi si sange le paraseste cand organismul

este supus unei diferente bruste de presiune.

• Beţia adâncurilor = creşterea presiunii gazelor

inerte.

– simptome similare primelor stadii ale anesteziei

generale

Hiperoxia

Hiperoxia = creșterea presiunii și concentrației

• daca presiunea oxigenului in atmosfera

depaseste valoarea de genereaza

un efect toxic care produce greata, ameteli si

convulsii datorita formarii radicalilor liberi.

2O

25 /107,1 mN

Hipoxie

Hipoxie = scaderea presiunii si a concentratiei .

• La altitudinea de 6.000m cantitatea de oxigen din atmosfera se reduce la jumatate (hipoxie) ceea ce determina scaderea cantitatii de oxigen transportata de sange.

• La altitudinea de 7.000m, fără acomodare și fără masca de oxigen, intervine moartea.

2O

Solvirea gazelor

• Pentru compensarea lipsei de oxigen din atmosfera in conditii de hipoxie, organismul se adapteaza cu ajutorul mecanismelor homeostatice care consta in :

– marirea ventilatiei pulmonare,

– accentuarea circulatiei capilare prin deschiderea capilarelor de rezerva,

– instalarea tahicardiei (accelerarea frecventei batailor inimii peste 90 de pulsatii pe minut) insotita de cresterea presiunii sistolice si diastolice, si

– prin redistribuirea fluxului sanguin astfel incat sa fie favorizate inima si creierul. Aclimatizarea declanseaza procese compensatoare si ca urmare tahicardia dispare.

Fenomene de transport

Prin fenomene de transport înţelegem fenomenele care sunt însoţite de transport de substanţă, impuls sau energie dintr-o regiune în alta a mediului. Aceste fenomene se pot datora fie:

· ciocnirii dintre molecule (care determină un transport de substanţă sau de energie),

· frecării interne dintre diferitele straturi de substanţă (care deteremină transport de impuls).

Fenomene de transport

Atunci când un fenomen este însoţit de: • un transport de substanţă se spune că este vorba de difuzie moleculară. • un transport de energie, atunci vom vorbi de conducţie termică, • migrarea sarcinilor electrice de-a lungul unui gradient de potential electric apare conductia electrica, • un transport de impuls de-a lungul unui gradient de viteza avem vâscozitate.

Fenomene moleculare de

transport • Procesele metabolice reprezinta un schimb

permanent de substanta, energie si informatie cu mediul exterior, schimburi controlate de mecanismele celulare.

• Sistemele biologice sunt sisteme termodinamice deschise (termodinamica Prigogine)

– influx - transport spre interior

– eflux - transport spre exterior

• Transport pasiv: are loc spontan, fără consum de energie (doar datorita mișcării termice) si are drept consecinta cresterea gradului de dezordine moleculară.

• Transportul activ: daca pentru transport se consuma energie rezultata din hidroliza unor molecule(ATP, GTP, etc.) va apare o deplasare ordonata a moleculelor- viteza de drift- care duce la scaderea dezordinii moleculare.

Fenomene moleculare de

transport

În cele două imagini de mai sus, câmpul scalar este

în alb şi negru, negru reprezentând valori mai mari,

iar gradientul corespunzător acestui câmp este

reprezentat de săgeţi albastre.

Gradientul unui unui câmp scalar (mărimi scalare ) este un câmp vectorial.

Fenomene moleculare de

transport

Cauza fenomenelor de transport pasiv:

•prezenta unor forțe termodinamice la suprafețele de

separare și in interiorul fazelor separate care au tendința

să diminueze neomogenitățile (diferențele) din sistem

de-a lungul unei directii (= gradient= ) cum ar fi diferența:

• de concentraţie,

• de densitate,

• de presiune osmotică,

• de potențial electric (sarcina electrică).

A

• Forţa termodinamică, generează un flux sau o densitate de curent a parametrului respectiv .

• Ecuaţia generală a fenomenelor de transport:

D = coeficient caracteristic fiecărui fenomen.

AJ

Fenomene de transport

ADJ A

Fenomene transport pasiv

• Fenomenele moleculare de transport pasiv prezintă importanţă deosebită pentru viaţa plantelor şi animalelor, desfăşurându-se fără consum de energie metabolică.

– Din această categorie un rol deosebit îl au difuzia şi osmoza.

Fenomenul de difuzie

• Difuzia pasivă reprezintă fenomenul de transport pasiv, datorat agitaţiei termice, a unor particule din zonele de concentraţie (densitate) mai mari spre zonele cu valori mai mici ale acestor mărimi.

• Difuzia implică deci un transport de masă.

Fenomenul de difuzie

Chiar și fără amestecare câteva picături de

cerneală adaugate în apă se vor împrăștia treptat:

are loc difuzia.

Fenomenul de difuzie

Fluxul de difuzie este dat de legea I a lui Fick:

D este constanta de

difuzie.

Molecula Mediu D (m2/s)

H2 Aer 6,3 x 10-5

O2 Aer 1,8 x 10-5

O2 Apa 100 x 10-11

Hemoglobina

din sange

Apa 6,9 x 10-11

Glicina

(aminoacid)

Apa 95 x 10-11

AND

(masa 6x106 u)

Apa 0.13 x 10-11

Difuzia particulelor prin membrane

(dializa)

• În cazul unei membrane cu

pori mici (canale) ce separă

două soluţii cu concentraţii

diferite de solvit, gradientul

concentraţiei se manifestă

numai în grosimea

membranei, dat fiind că

vitezele moleculelor (ionilor)

în membrană sunt mult mai

mici decât în solvent.

C1 C2

x

C

C1

C2

J

12 CCDJ

• În cazul membranelor se defineşte un parametru, numit coeficient

de permeabilitate:

• Legea I Fick se scrie:

P – coeficient de permeabilitate al substațtei prin membrana

respectivă.

• Astfel, coeficientul de permeabilitate a unei substante prin

membrana cu pori respectivă depinde de natura solventului

(solvitului), de volumul molecular, de temperatură, de concentraţie,

de dimensiunile şi numărul de pori pe unitatea de suprafaţă a

membranelor.

)/( smD

P

tCCSP 12

Clasificarea membranelor

1. Impermeabile (nu permite transportul de substanţă prin ea).

2. Permeabile (permite trecerea în ambele sensuri a particulelor prin

ea).

3. Selectiv permeabile (sunt permeabile pentru anumite particule şi

impermeabile pentru altele).

– 3a. Semipermeabile (SMP) (permit trecerea particulelor de

solvent, însă nu şi a solvitului).

– 3b. Ireciproc permeabile (IRP) – permeabile la solviţi, dar numai

într-un singur sens.

• În organismele vii, membranele sunt selective permeabile

prezentând permeabilităţi diferite pentru diversele specii de

molecule. Ele formează bariere biologice de complexităţi diferite.

• Membranele biologice sunt caracterizate prin

permeabilităţi foarte mari pentru moleculele de apă (PH2O~

10-6 m/s), foarte mare in comparative cu a altor molecule

polare.

• P - pentru alte molecule:

– glucoza ~ 10-9 m/s; K+ ~10-9 m/s Cl- ~ 10-10 m/s;

– Na+ - (int -ext) ~10-8 m/s

– - (ext-int) ~10-10 m/s

• În acelaşi timp, membranele biologice sunt

caracterizate de permeabilităţi mari pentru anumiţi ioni

şi molecule polare, fiind însă impermeabile pentru alte

categorii de substanţă. Se constată prin urmare,

producerea unor separări de molecule pe feţele

membranei, care conduc la fenomene noi la nivelul lor,

cum ar fi osmoza .

• Dializa poate fi definită ca fiind un fenomen de transport

printr-o membrană selectiv permeabilă a particulelor

solvite cu diametrul mai mic decât diametrul porilor

membranari.

– Solviţii difuzibili sunt cristaloizi, iar

– cei nedifuzibili – coloizii;

• ca urmare, prin dializă se separă cristaloizii, difuzibili,

de coloizi.

Dializa

Membrana dializanta = membrana selectiv permeabila :

• permite trecerea apei, dar şi a unor solviţi cu diametrul mai

mic decât diametrul porilor membranei (<1 mm).

• Separarea este, deci, consecinţa transportului prin

membrană, în sensul gradientului electrochimic, a

particulelor solvite pentru care membrana este

permeabilă.

Dializa

• O eliminare mai completă şi mai rapidă a cristaloizilor

electroliţi poate fi obţinută prin accelerarea deplasării şi,

deci, a separării acestora prin aplicarea unui câmp

electric, prin intermediul unor electrozi plasaţi de o parte şi

de alta a membranei dializante.

Electrodializa

Schema unei membrane semipermeabile în timpul hemodializei, unde sângele este roşu, albastrul este pentru fluidul de dializă, iar cu galben este

desenată membrana. [ http://www.drobetaturnuseverin.net/book/export/html/5198]

Fenomenul de osmoză

• Osmoza este fenomenul de transport al solventului prin

membrana semipermeabilă pentru a diminua gradientul de

concentraţie.

hg

21

Fenomenul de osmoză

• deplasarea unei cantităţi de solvent generează o diferenţă

de presiune hidrostatică intre compartimente.

• la incetarea difuziei solventului, starea staţionară

corespunde compensării celor două forţe termodinamice :

presiunea hidrostatică (p) este echilibrată de presiunea

osmotică ().

• Presiunea „” care apare datorită osmozei solventului prin

membrana semipermeabilă s.n. presiune osmotică şi este

măsurabilă prin presiunea hidrostatică (cu ajutorul unui

manometru).

- densitatea lichidului manometric.

hg

• Presiunea osmotica are cauze capilaritatea si diferenta

de concentratie.

• Dacă asupra soluţiei mai concentrate acţioneaza o

presiune foarte mare din exterior, molecula de solvent

traversează membrana în mod forţat de la soluţia mai

concentrată spre cea mai diluată; se produce osmoza

inversă.

– Acest fenomen are importante aplicaţii practice (desalinizarea

apei). Ea este întâlnită şi la animalele acvatice sau unele păsări

(pescăruşi) pentru procurarea apei potabile din apa de mare.

Presiunea osmotică a lichidelor biologice

• Presiunea osmotică a lichidelor biologice (sânge, lichid

cefalorahidian, lichid sinovial ) se datorează ionilor şi

micromoleculelor cu diametrul < 1 nm.

• Contribuţia macromoleculelor la presiunea osmotică este

mică, fiind invers proporţională cu masa lor moleculară (

~ 1/µ ) .

Presiunea osmotică a lichidelor biologice

• Presiunea coloidosmotica (oncotica) reprezinta

presiunea data de proteinele in sange sau lichidul

extracelular = presiunea osmotica determinata de prezenta

coloizilor in solutie.

– Presiunea oncotică are un rol important în schimbul de

apă la nivelul capilarelor deoarece endoteliul capilar se

comportă ca o membrană semipermeabilă în raport cu

proteinele din plasmă, în timp ce micromoleculele şi ionii

o traversează cu uşurinţă.

Fenomenul de osmoză

• Se numeşte soluţie osmolară soluţia care conţine un

număr de particule osmotic active egal cu NA (numarul lui

Avogadro).

• Particula osmotic activă este cea care este liberă să se

deplaseze termic, dar este incapabilă sa traverseze

membrana semipermeabilă.

• Presiunea osmotică a unei soluţii osmolare este:

(lege experimentala - legea lui Raoult) :

0 = c R T = 1 mol / 10-3 m3 8,31 J / mol K 273,15 K =

22,4 atm

• Două soluţii care au: c1 = c2 ; T1 = T2 ;

• Dacă 1 = 2 se numesc soluţii izotonice

• 1 2 soluţia 1 este hipertonică

• 1 2 soluţia 1 este hipotonică

celulele animale şi vegetale se pot păstra numai in

soluţii izotonice

• dacă celula se plasează într-o soluţie hipotonică, apa

pătrunde in celulă prin osmoza directă, aceasta se umflă

si se produce turgescenta ( hemoliza în cazul hematiilor)

• dacă celula se plasează intr-o soluţie hipertonică, apa

părăseşte celula, celula se zbârceste şi se produce

ratatinarea celulelor

• serul fiziologic (c 9 ‰ NaCl), soluţia Ringer (c 9 ‰

NaCl, CaCl2, KCl)= soluţii izotonice pentru organismul

uman.