44
Biofizica Curs 6
Biofizica
Curs 6
Elemente de electricitate
• Forta de interactiune electrostatica dintre doua sarcini electrice (N):
• Intensitatea câmpului electrostatic :
• Potentialul electric (V):
• Atomul - neutru d.p.d.v. electric.
24 r
qQF
24 r
QE
r
QV
4
Modelul planetar al atomului
)/( 2mV
Elemente de electricitate
• Intre doua puncte din spatiu cu potentiale diferite apare o tensiune electrica V = U care determina deplasarea sarcinilor electrice (curent electric).
• Intensitatea curentului electric (A): • Legea Ohm pentru un circuit simplu:• Energia dezvoltata de curentul electric (Ws):
• Puterea electrica (W):
t
qI
R
UI
tIRtIUqUW 2
t
WP
• D.p.d.v. al proprietăţilor conductoare, substanţele se clasifică in următoarele categorii :– Conductori (datorita deplasarii electronilor sau a
ionilor),– Izolatori (dielectrici) (exista sarcini electrice legate
care se pot doar orienta sub actiunea unui camp electric),
– semiconductori (conductia datorata deplasarii electronilor si golurilor – legaturi covalente nesatisfacute).
• În sistemele biologice conducţia electrică se face numai prin ioni .
• Dielectricii sunt substante neconductoare din punct de vedere electric. Tesuturile biologice sunt considerate dielectrici. • Modelul dielectricilor este folosit pentru a studia efectul campului electric alternativ asupra substantei (vii si nevii)• Spectroscopia dielectrica este o tehnica cu ajutorul carei se obtin informatii despre structura si tipurile de interactiuni care exista in interiorul materialelor.
SemiconductoriCondutie electrica datorata electronilor si golurilor (legaturi chimice libere)
Electroliza
• Disociaţia electroliţilor (substante ionice dizolvate intr-un solvent) datorita trecerii curentului electric; la suprafata electrozilor se produc reactii chimice: – cationi - se orientează către catod ( electrodul negativ )– anioni - se orientează către anod ( electrodul pozitiv )
• Electroliza: masa de substanţă depusă la electrozi este data de:
m = k · I · t - legea lui Faraday
• Substanţa depusă la electrozi precipită, se depune pe electrozi sau se degaja (gaz).
• Oxidarea ionilor sau a moleculelor neutre se petrece la anod (pozitiv) iar reducerea lor se petrece la catod (negativ).
• Anod: - oxidare
• Catod: - reducere
• Electroliza apei (cu electrozi de platina) reprezinta o sursa de hidrogen:
eFeFe 32
46
36 )()( CNFeeCNFe
)(2)(2)(2 22 ggl OHOH
Fenomene electrocinetice
• Electroforeza, este fenomenul de migrare a unor particule încărcate cu sarcină electrică în câmp electric generat de doi electrozi conectaţi la o sursă de tensiune continuă.
• Dacă migrarea se face spre catod, apare catelectroforeza, iar dacă migrarea se face spre anod, apare anelectroforeza.
• Migrarea se poate realiza pe suport de hartie, pe gel sau intr-un tub capilar.
Fenomene electrocinetice
• Efectul de sedimentare (Dorn) constă în apariţia unei tensiuni electrice, Us, între două puncte ale unui electrolit între care are loc sedimentarea unor particule încărcate electric (datorita gravitatiei sau centrifugarii).
Fenomene electrocinetice
• Electroosmoza, constă în deplasarea unei faze electrolitice lichide polare printr-o o fază solidă (material poros), în prezenţa unui câmp electric.
• Efectul de curgere (Quincke) constă în apariţia unei diferenţe de potenţial de o parte şi de alta a unui material poros, prin care curge sub presiune o soluţie electrolitică. (Ex. presarea mecanică a apei printr-o diagramă poroasă).
Bioelectrogeneza celulară
• producerea de electricitate de către celula vie.• constă în crearea unei diferenţe de potenţial electric între
două compartimente separate printr-o membrană sau modificarea acestei diferenţe de potenţial prin curenţi electrici transmembranari.
• Potenţialul celular poate fi:– de repaus– de acţiune
• Potenţialul celular de repaus reprezintă diferenta de potential dintre citoplasma din interiorul unei celule (care are potenţial negativ) în repaus şi mediul apos extracelular ( ) V210
Generarea potenţialului celular de repaus ( PR ).
Echilibrul de membrană Donnan
• O situaţie care apare atunci când un compartiment conţine o soluţie apoasă de KCl şi K proteinat, iar celălalt compartiment conţine apă distilată. Cele două compartimente sunt separate printr-o membrană impermeabilă pentru anionii proteici multivalenţi.
Echilibrul de membrană Donnan
Echilibrul de membrană Donnan
• Acest model este aproape de realitate (membranele biologice). Ionii de K+ şi ionii de Cl- difuzează în exteriorul celulei(compartimentul 2) până se instalează echilibrul de membrană Donnan. Diferenţa de potenţial este :
1
2
2
1
][
][ln
][
][ln
Cl
Cl
zF
RT
K
K
zF
RTU
Echilibrul de membrană Donnan
• Consecinţele echilibrului Donnan sunt: –
– (presiuni osmotice) - rezultă că apare un flux de apă către compartimentul 1 (interiorul celulei) care poate să-i pericliteze stabilitatea şi chiar existenţa.
rCl
Cl
K
K
1
2
2
1
][
][
][
][
1r
21
• Modelul cel mai realist este cel în care ambele compartimente conţin ioni nedifuzabili prin membrană.
• În cazul celulelor vii aceştia sunt ionii de proteinat de Na şi ionii de . Aceştia din urmă nu pot pătrunde în celulă deoarece în starea de repaus celular, porţile canalelor ionilor de sunt închise şi ionii de care pătrund totuşi in celulă datorită diferenţei mari de concentraţie, sunt evacuaţi în mod continuu de pompele de ioni.
Na
Na
Generarea potenţialului celular de repaus ( PR ).
Na
Intracelular Extracelular
[A-] =135 [A-] = 0
[K+] = 150 [K+]= 5
[Cl-] = 5 [Cl-]= 150
[Na+] = 10 [Na+]= 145
Reprezinta concentraţia anionilor proteici multivalenţi.
• Potenţialul celular de repaus se poate măsura cu ajutorul microelectrozilor şi se calculează teoretic cunoscând concentraţiile ionilor ce difuzează şi coeficienţii de permeabilitate ai membranei pentru fiecare specie de ioni.
• Pentru celula musculară potenţialul celular de repaus este E = - 84mV. Permeabilitatea membranei pentru ionii de > 0, acestia pătrund în celula în repaus, micşorând valoarea de echilibru a lui E.
• Ionii de sunt scoşi din celulă de pompele de ioni de împotriva gradientului de concentraţie şi echilibrul celular se restabileşte.
Generarea potenţialului celular de repaus ( PR ).
2Na
2Na2Na
• Prin blocarea pompelor de ioni cu toxine specifice, sau după moarte, pătrunderea ionilor de sodiu nu mai poate fi împiedicată şi potenţialul celular scade drastic.
• Celula în repaus nu se află în echilibru termodinamic ci într-o stare staţionară, fluxurile pasive de ioni fiind echilibrate de fluxurile active.
• În bioelectrogeneză participă şi alţi ioni la stabilirea potenţialului celular: si , aceştia având un rol important în menţinerea potenţialului celular al fibrei musculare cardiace.
Generarea potenţialului celular de repaus ( PR ).
2Ca 2Mg
Potenţialul celular de acţiune (PA)
• Prin potenţial celular de acţiune se înţelege variaţia de scurtă durată a diferenţei de potenţial dintre mediul intracelular şi cel extracelular. Poate să apară spontan.
• Potenţialul de acţiune are următoarele caracteristici: – Constă în depolarizarea temporară a membrane celulare în
sensul că interiorul celulei devine mai puţin negativ (cu excepţia celulelor fotoreceptoare retiniene a căror potenţial negativ creşte ducând la hiperpolarizare),
– Apare la deschiderea unor canale ionice (sau la închiderea porţilor canalelor în cazul hiperpolarizării),
– În mod frecvent PA este asociat pentru faza ascendenta cu ionii şi cu ionii pentru faza descendentă.
– Excepţie : în fibra musculară cardiacă ionii de participă alături de ionii de sodiu la faza ascendentă.
2Na K2Ca
E(mV)
t
PA = 120 mV
PR
- 100
+ 100
0
Potenţialul de acţiune (PA)
Studiul PA se realizează prin excitarea celulelor cu stimuli electrici şi înregistrarea potenţialului celular.
-1
-2
2
1
3
4
5
0
- 100
- 50
50
E(mV)
t
Stimuli electrici dreptunghiulari
Răspunsul celulei la aplicarea stimulilor electrici dreptunghiulari
• Înregistrarea potenţialelor de acţiune (electrograme) dau informaţii privind funcţionarea organelor respective. Un nerv reprezintă un mănunchi de fibre nervoase ne- şi mielinizate fiecare conducând impulsul nervos cu viteza proprie, astfel că PA vor ajunge la electrozi la momente diferite de timp deşi au fost stimulate sincron.– Electronervograma- prezintă unde successive (α, β,
γ)– PA al unităţii motorii se obţine introducând cu
seringa 2 electrozi într-un mănunchi de fibre musculare ce se contractă sincron sub acţiunea stimulului
– Electroionograma globală se obţine aşezând electrozii pe tegument în dreptul muşchiului care se contractă.
• Electrocardiograma se obţine prin stimularea inimii.
• Electro-retinograma permite studierea funcţionării retinei• Electro-histerograma permite studierea funcţionării
uterului• Electro-gastrograma - permite studierea funcţionării
aparatului digestive
Fizioterapia
• Fizioterapia include ansamblul aplicatiilor terapeutice avand la baza utilizarea agentilor fizici. Includem aici undele magnetice, undele mecanice, crio-termoterapia, dar mai ales curentii electrici.
Acţiunea biologică a curenţilor electrici
• Curenţii electrici se împart în două mari categorii: – curenţi continui (numiti si curenti galvanici) si – curenţi alternativi.
• Curentul continuu prezintă o intensitate constantă ca valoare, direcţie şi sens. El are variaţii de intensitate doar în două momente ale evoluţiei sale: la inchiderea şi la deschiderea circuitului electric.
• Mai jos sunt prezentate tipurile principale de semnale electrice folosite pentru generarea diferiţilor curenţi electrici.
curent electric continuu
curent electric sinusoidal
curent electric în pulsuri
curent electric faradic
Excitabilitatea neuro-musculară
• Pentru ca un excitant să producă o excitaţie este necesar să se îndeplinească 3 condiţii:– o intensitate mai mare sau cel puţin egală cu o
anumită valoare numită intensitate de prag;– o durată suficientă;– o variaţie bruscă.
• Curentul electric continuu nu îndeplineşte cea de-a treia condiţie decât în momentul închiderii sau dechiderii circuitului electric. Din această cauză, ele nu produc excitaţii neuro-musculare decât în aceste două momente.
Termoterapia• Cuprinde acele modalitati de tratament care utilizeaza caldura
pentru cresterea temperaturii anumitor portiuni ale corpului. Aceasta crestere de temperatura poate fi superficiala (0,5 cm) sau profunda (3,5 cm), cunoscand mai multe modalitati de producere. Una dintre ele, asa-numita caldura de iradiere, foloseste lumina si radiatiile infrarosii.
Incalzirea corpului este produsa la suprafata, la maximum 1 cm profunzime, avand efect de relaxare musculara. O alta modalitate, numita caldura de contact, foloseste apa calda, parafina (sub forma de impachetari calde sau bai de parafina) sau namolurile calde (vulcanice sau de turba) pentru incalzirea anumitor segmente ale corpului.
Vibroterapia
• Presupune folosirea in scop terapeutic a undelor mecanice. Ultrasunetele reprezinta cea mai cunoscuta si evaluata aplicatie a acestei modalitati de tratament, ele fiind unde produse de vibratia unui cristal de cuart atunci cand acesta este strabatut de un curent de inalta frecventa (800.000 Hz).
Radiatiile si laserii• Radiatiile ultraviolete
Sunt folosite mai ales in dermatologie (tratamentul psoriazisului cu ajutorul ultravioletelor de tip A), in estetica (bronz artificial) si pentru dezinfectie. In recuperare, pot fi folosite, datorita actiunii lor cicatrizante si antiseptice, in tratamentul escarelor sau al ulcerelor varicoase.
Radiatiile infrarosiiAu o actiune termica superficiala. Din aceasta cauza, eficacitatea lor este redusa. Totusi pot fi folosite in anumite procese inflamatorii superficiale, contuzii, cauzalgii, lombalgii atunci cand alte modalitati terapeutice par a fi mult prea agresive pentru a fi utilizate.
LaseriiLaserii de intensitate mica folositi in fizioterapie nu au facut proba unei eficacitati clinice semnificative, chiar daca in studii experimentale par a demonstra anumite efecte biologice. Efectul este asemanator radiatiilor infrarosii (efect termic de suprafata).
Radiaţia electromagnetică
• Radiatia (unda) electromagnetica reprezinta fenomenul de propagare in timp si spatiu a unei oscilatii electromagnetice.
• Oscilatia electromagnetica are doua componente, electrica si magnetica, care variaza in timp si se genereaza reciproc.
• Cele doua componente oscileaza in faza perpendicular una fata de cealalta si pe directia de propagare a undei.
E – intensitatea campului electricH – intensitatea campului magnetic
Radiatiile rosie, verde si albastra(lungimi de unda diferite)
Spectru electromagnetic acopera un interval mare de lungimi de unda si energii transportate. Radiatia “poate sa vada” un obiect daca are lungimea de unda de acelasi ordin de marime cu dimensiunile obiectului.
Radiaţia electromagnetică• Radiaţia electromagnetică are caracter dual,
putînd fi considerată atît undă cât şi un ansamblu de particule cuantice (fotoni). Energia unui foton se numeste cuanta de energie si este egala cu
• poate fi tratată folosind principiile mecanicii cuantice care spun că:– Într-un atom electronii se pot afla numai pe anumite
nivele energetice, adică există o distribuţie „discretă” a spectrului energetic al unui atom sau moleculă,
– Trecerea electronilor de pe un nivel energetic pe altul are loc cu absorbţia sau emiterea unei radiaţii a cărei frecvenţă depinde de diferenţa de energie E dintre cele două nivele prin relaţia:
-34
unde h = 6,67 10 Js (constanta lui Planck). hE
h
Emisie
Absorbtie
Modelul planetar al atomului
