MATERIA VIE

Caracteristica esenŃialăSe autogenerează, îşi conservă structura şi integritatea prin metabolism = schimb de energie sau materie cu mediul exterior

Manifestarea externă a proceselor biologice : la scară celulară şi la scară macroscopică

- chimice = produşi de dezasimilaŃie, consum de elemente chimice

- mecanice = contracŃii, dilataŃii, modificări de formă

- electrice = biosemnale

Organizarea materiei vii

- supracelulară – Ńesuturi organe aparate sisteme (corpul întreg)

- subcelulară celula = elementul de bază la nivelul căruia mai există metabolism

citoplasmcitoplasmăănucleunucleu

membranmembranăă

Organizarea subcelulară

Biofizica Biofizica celulacelula

celularăcelularăorganiteorganite

nucleunucleumitocondrimitocondricloroplastecloroplaste

aparat Golgiaparat Golgi

Biofizică Biofizică MolecularăMoleculară

aansambluri supramoleculare nsambluri supramoleculare cu masa cu masa molecularmoleculară ă 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 moleculară ă 101033--101099 uu

acizi nucleiciacizi nucleiciproteineproteinepolizaharidepolizaharide

lipidelipide

unităunităŃŃi monomerice cu masă i monomerice cu masă moleculară moleculară 100100--300 u300 u

nuleotidenuleotideaminoaciziaminoacizimonozaharidemonozaharideacizi graacizi graşşi si glicerinăi si glicerină

molecule molecule şşi precursori i precursori intermediari metaboliciintermediari metabolici COCO22 , , HH22O , NHO , NH3 , 3 , piruvat, citrat etcpiruvat, citrat etc

entităentităŃŃi i moleculare moleculare ( chimice)( chimice)

ChimieChimieorganicăorganică

şşi i biochimiebiochimie

ForŃe interatomice şi intermoleculare

r

r

r4

qqF

2

21

⋅=

πε

r

qqW

πε421=

0=dr

dW

formarea legăturilor chimice

dispunerea spaŃială a componenŃilor moleculari

- natura forŃelor-- electrică – bazată pe legea Coulomb

- determină

Energia potenŃială de interacŃiune electrostatică dintre două sarcini punctiforme este:

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

r = re

W

r

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

Formarea legăturilor chimicedatorită electronilor de valenŃă

neîmperecheaŃi ( Teoria spinului electronic)

Stări energetice ale moleculelor

evrttot EEEEE +++=

translaŃie rotaŃie vibraŃie păturilor electronice

spectru energetic

continuă cuantificată

Legături chimice

legături primare ( tari ) 100 kcal/mol

- legătura London – Van der Waals- dipolară- q

- legătură ionică- legătură covalentă

r

+ q θ

M

p dqp ⋅=( )

⋅⋅+

−=

53

3

4

1

r

rpr

r

pEM

πε

3Mr4

rp

⋅

⋅=

πεϕ

Energia de interacŃiune dintre un dipol permanent şi o sarcină punctiformă

Epqr

rpqW M ⋅−=⋅

⋅=⋅=

34πεϕ r

r

qE ⋅

−=

304πε

Energia de interacŃiune dintre doi dipoli permanenŃi

EpW ⋅−=( )( )

−=

5212112

321 3

4

1

r

prpr

r

ppW

πε

-- dipoli induşi

extEp ⋅=α

extE

d

+-

dipolul indus de o sarcină punctiformă : απε

⋅+

=2r

q

4

1p

- energia de interacŃiune dintre un dipol indus şi o sarcină punctiformă

θπε

α

πεπεcos

44

1

4 233⋅⋅

⋅+⋅⋅=

⋅⋅=⋅= r

r

q

rq

r

rpqpqW dip

( ) 42

2

4

cos

r

qW

πε

θα ⋅+= dar dar 0180=θ

( ) 42

2

4 r

qW

⋅

−==>

πε

α

+ - +indus

prq

p

r0180=θ

- energia de interacŃiune dintre un dipol permanent şi un dipol indus

( )( )

( ) 2

532

2dipdipdipdipind

r

rpr3

r

p

4

1EEEEpW

⋅⋅+

−−=⋅−=⋅−=⋅−=

πεααα

( )

( )( )( ) ( ) 62

2

6

2

6

2

2810

24

6

2

2 4

43

4

69

4 r

p

r

p

r

p

r

prpr

r

pr

r

pW

⋅

−=

+

−=

⋅⋅−

⋅+⋅

−=

πε

α

πε

α

πε

α

p = dipol permanent

- + - +rperm

pind

ppermanentind

Ep ⋅= α

ion – ion

ion – dipol permanent

ion – dipol indus

dipol permanent – dipol indus

rW

1~

2

1~

rW

4

1~

rW

6

1~

rW

PunŃi de hidrogen- forŃe electrostatice dipolare între gruparea OH şi perechea de electroni liberi ai oxigenului

sau punte dublă între un atom O şi o grupare NH

- sunt legături slabe, 1/10 din forŃa legăturilor covalente

- reduc rotaŃiile moleculare

- apar în formă de dublă elice a moleculelor ADN

molecula molecula 1 2

apare dacă un atom H legat chimic de un atom electronegativ, O sau N, este situat în 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

InteracŃiunea hidrofobă

- moleculele hidrofobe, ( acizii graşi), dizolvate în apă, se vor asocia, din cauza respingerii lor de către moleculele de apă

Manifestări electrice ale celulei vii

Celula == unitate elementară a materii vii unitate elementară a materii vii

Clasificaredupă funcŃia îndeplinită

după relaŃiile cu alte celule şi cu mediul

Compozite – membrană, citoplasmă, nucleu

Protoplasmă = atât materia vie în evoluŃie cât şi întregul conŃinut al celulei

Compozitia membranei

-fosfolipide -proteine

dispuse in strat dublu

fosfolipide (hidrofile, polare, solubile in apa)

acizi grasi (hidrofobi)

Membrana celulara

Membrana celulara

PotenŃialul celular de repaos

Activitatea celulei se urmăreşte la nivelul membranei prin schimbul de ionicu exteriorul teoria ionică a lui Hodgkin şi Huxley

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

Cei mai importanŃi ioni în interior şi exterior :K+, Na+ - au concentraŃii diferite

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

Na+, Conc. ext = 10 Conc. int

Cl-, [ ][ ]

14=−

−

i

e

Cl

Cl

Celula în repaos. Schimbul de ioni

- interiorul celulei este NEGATIV din cauza anionilor organici

- câmp electric spre interior

- forŃe de difuziune este orientată spre concentraŃia mai MICĂ

- relaŃia lui NERNST

+K

exterior

eriorint

1

2 lg6,61lnC

C

C

C

Fn

RTV =

⋅=

-

-

-+

+

+

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

−Cl

int ext dF

eF

echilibru mVVCl

90−=−

2) Ionii potasiu +K

int ext dF

eFcvasiechilibru deoarece

ed FF ≥

mVC

CV

e

i

K9591lg6,61 −==+

3) Ionii +Naint extdF

eFmV

C

CV

e

i

Na62lg6,61 −==+

nu există echilibruMembrana are permeabilitate mică faŃă de Na+

Pentru transportul ionilor de Na+ spre exterior se utilizează energia metabolică

La ieşirea unui ion de Na+ în exterior atunci un ion K+ intră în celulă Pompa Na+, K+, ionică

1) Ionii de clor

Sodium-Potassium pump, an example of Primary active transport

Mecanisme de schimb ionic

- ionii K+ trec din interior spre exterior (forŃe chimicee))

Cext < Cint

Vext< Vint

- diferenŃa de potenŃial se opune trecerii în continuare a ionilor spre interior.Rezultă echilibru dinamic

+K

În repaos [ ] [ ] [ ] [ ]eeii ClKClK−+−+ = echilibru de membrană Donnan

- trec din exterior spre interior

Cext > Cint

Vext> Vint

+Na

PotenŃialul celular apare din cauza diferenŃei de concentraŃie.Valoarea lui este dată de relaŃia NERNST

[ ]mVC

CV

extcelulei

celuleiintlg6,61=

30int =+

+

K

ext

K

C

CEx. KK++,, rezultă mVV

K90=+

+KV este pozitiv în interior faŃă de exterior

Ex. ,+Na

++

⟨ Na

ext

NaCC int rezultă mVV

Na62−=+

+NaV este negativ în interior faŃă de exterior

Membrana are un caracter selectiv faŃă de ioni datorită :

- dimensiunilor diferite ale ionilor- afinităŃii diferite faŃă de apă

ExteriorExterior MembranăMembrană InteriorInterior

+K

++

--E

r

dFr

eFr

eFr

dFr

K+ ioni ce vin din exterior spre interior

K+ ioni pompaŃi de diferenŃa de potenŃial şi degradientul de concentraŃie

Na+ ioni ce pleacă spre exterior

Na+ ioni pompaŃi de diferenŃa de potenŃial şigradientul de concentraŃie

Celula este negativă în interior din cauza ANIONILOR organici => câmp spre interiorE

r

+K

+Na

-

+

+

-

91

62

În repaos celula este polarizatăexteriorinterior

+-

potenŃial de repaos celular u

Schema echivalentă

ExteriorExterior Interior Interior MembranăMembrană

u

C

+kR

+NaR

-

- +

+

+KV

+NaV

Ω=+ kRK

1

Ω=+ kRNa

150

2/1 cmFC µ=2/10 cmFC µ=

- celula nervoasă

- celula musculară

În repaos curentul total prin membrană este zero

oIIKNa

=+ ++

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+

PotenŃialul de acŃiune al celulei

Stimuli

excitanti acŃionează în sensul depolarizării celulei (tinde să micşoreze valoarea absolută a potenŃialului de repaos)

inhibitori accentuează polarizarea celulei

Prag de stimulare

Dacă durata şi amplitudinea stimulului depăşesc o anumită valoare, atunci procesul de trecere a ionilor nu mai poate fi controlat de către stimul şi se produce o trecere în avalanşă a ionilor prin membrană şi celula se depolarizează.

Obs. Sub acŃiunea unui stimul excitant membrana devine mai permeabilă pentru ionii de Na+, dar nu-şi schimbă permeabilitatea faŃă de ionii de K+.

curent de stimularecurent de stimulare

stimul excitantstimul excitant

stimul inhibitorstimul inhibitor

VVcelulcelulăă

[mV][mV]

TT00

tt

stimul inhibitorstimul inhibitor

+20+20

tt

prag deprag destimularestimulare

--9090DepolarizareDepolarizare RepolarizareRepolarizare PotenPotenŃŃial ial

de repaosde repaos

q q electricelectric

q q electricelectric

egaleegale

tt

Măsurători

- în vivo = pe viu- în vitro - în soluŃie care să reproducă cât mai fidel condiŃiile reale ale celulei vii

Se folosesc doi electrozi

unul se introduce în celulă

unul în exterior

Introducem doi electrozi în soluŃie şi in celulă.În repaos curentul prin membrană este zero. Tensiunea între electrozi = 0.Stimulăm celula intră ioni pozitivi în celulă apare tensiune tensiunea dispare când celula este depolarizată apare din nou la repolarizare

DepolarizareDepolarizare

RepolarizareRepolarizare

UUextracelulaextracelula

Bibliografie

1. Biofizică, Elena Dragomir, Liviu Enache

2. Electronică medicală, Rodica Strungaru

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

4. Magnetismul în biologie, I.A Holodea

5. Electronică medicală, A. Poicec, T.D. Gligor

6. Biofizică, M. Isac, C. Filipescu

7. Biofizică, Tudor Porumb