Biofísica

Dra. Dolores Villanueva ZambranoDra. Dolores Villanueva Zambrano

Biofísica• La física es la base sobre la cual se asientan todas las ciencias

• Las leyes físicas rigen el universo, pero no basta para entender las leyes que rigen la vida

• El entendimiento de la vida es perfecto cuando se integran los conocimientos físicos , químicos y los biológicos

• El desarrollo del curso de biofísica le permitirá entender la vida, la salud , la enfermedad y la muerte , en función a aquella energía obtenida “al principio”

ENERGÍA – y sus FORMAS DE EXPRESIÓN.

• Concepto abstracto e imaginario.• Actividad que tiende a cambiar las propiedades de los

cuerpos•• Capacidad de producir trabajo.Capacidad de producir trabajo.• Propiedad inherente a los cuerpos, los cuales al

transformarse por medio de reacciones o cambios ( Químicos y/o físicos) pueden liberar parte de su energía

• Puede adoptar distintas formas convertibles directa o indirectamente unas en otras: Radiación electromagnética, Energía Potencial, Energía Eléctrica, Energía Química (de enlace), Energía Cinética, Calor.

FORMAS DE LA ENERGÍA

Trabajo mecánico (W): Producto del desplazamiento (x) por la componentede la fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento (Fx).

Energía Potencial (Ep): Capacidad de producir trabajo que posee un sistemaen virtud de su posición respecto a un plano de referencia.

Energía Cinética (Ec): Capacidad de producir trabajo que posee un cuerpoen función de su movimiento.

Calor (Q): Energía en transito de un cuerpo que se haya a una temperaturahacia otro que está a menor temperatura con el fin de igualar ambas.

FORMAS DE LA ENERGÍA

Energía Interna (U): Variable termodinámica (Función de estado) indicativadel estado energético de las moléculas constitutivas de la materia. Su valor sefija respecto a una referencia. Relacionada con otras variables termodinámicascomo Energía Libre (G), Entropía (S), Entalpía (H).

Energía Electromagnética: Asociada con la frecuencia de onda. E=hν.Cuando interacciona con la materia toda o parte de esta energía puede serabsorbida. Normalmente su absorción se expresa como un aumento detemperatura.

Energía Nuclear (Ec): Transformación de masa en energía de acuerdo aE=mc2. Desintegraciones nucleares.

NUCLEOSÍNTESISNUCLEOSÍNTESIS

FISION NUCLEAR es la escisión del núcleo atómico con gran liberación de energía, se produce en forma natural y artificial

FUSION NUCLEAR es la unión de átomos ligeros a elevadas temperaturas con lo que se obtienen átomos más pesados y una gran liberación de energía.

Nucleosíntesis

Proceso por el que se formaron los elementos químicos en los primeros minutos del Universo a partir de los protones y neutrones primordiales, y por el que se siguen formando en el interior de las estrellas a partir de núcleos de hidrógeno y helio.

Nucleosíntesis

• Todos los demás elementos, como el carbono y el oxígeno, que son tan importantes para la vida, se han formado por Nucleosíntesis en el interior de las estrellas —sobre todo de estrellas más grandes— en fases posteriores de su evolución.

• Los primeros en explicar y describir el proceso fueron el astrofísico y cosmólogo británico Fred Hoyle y sus colegas, a mediados de la década de 1950.

La cadena protón-protón

• Es una de las dos reacciones de fusión que se producen en las estrellas para convertir el hidrógeno en helio.

• Las cadenas protón-protón son más importantes en estrellas del tamaño del Sol o menores.

El balance global del proceso es el equivalente de unir cuatro nucleones y dos electrones para formar un núcleo de helio-4

(2 protones + 2 neutrones).

El proceso triple alfa (TPA)

• Es el proceso por el cual tres núcleos de helio (partículas alfa) forman un núcleo de carbono.

• Esta fusión sólo ocurre a velocidades apreciables a Tº > a 100 000 000 kelvin y en núcleos estelares con una gran abundancia de helio.

• Por tanto, es sólo posible en las estrellas más viejas, donde el helio producido por las cadenas protón-protón y el ciclo CNO se ha acumulado en el núcleo.

Ciclo CON

• El ciclo CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno) es una de las reacciones de fusión en las estrellas, y seria la fuente de energía dominante en estrellas masivas.

• El proceso CNO fue propuesto en 1938 por Hans Bethe.

• Las reacciones del ciclo CNO son:

• 12C + 1H → 13N + γ +1,95 MeV (Megaelectronvoltio )

• 13N → 13C + e+ + νe +1,37 MeV

• 13C + 1H → 14N + γ +7,54 MeV

• 14N + 1H → 15O + γ +7,35 MeV

• 15O → 15N + e+ + νe +1,86 MeV

• 15N + 1H → 12C + 4He +4,96 MeV

• Se libera energía (rayos gamma).

• Los núcleos CON, son catalizadores y regeneran el proceso.

Ejemplo de Nucleosíntesis artificial: Ununbium

• Casi después de un década de ser descubierto en 1996 por Hofmann, esreconocido el elemento número 112 de la Tabla Periódica de Elementos.Ununbium (Uub), proviene del latín “Un (uno) un (uno) bi (dos) um”.

• Para crear este nuevo “super-pesado” el equipo del profesor Hofmann en elCentro de Investigación de Iones Pesados en Darmstadt, Alemania, utilizó unacelerador de partículas de 120 metros de largo para disparar un haz de átomoscargados de zinc en átomos de plomo. Los núcleos de los dos elementos sefusionaron para formar el núcleo del nuevo elemento

• Ununbium aun no es su nombre oficial, solo es un nombre temporal por laIUPAC. Su masa atómica de 285 y una corta vida de 0,24 milisegundos dado a suorigen de laboratorio.

Fuerzas del Universo

• Nuestro universo está regido por cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, la fuerza : la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la interacción débil.la interacción débil.

• Los físicos intentan demostrar que, las cuatro fuerzas pueden deducirse de una única fuerza fundamental.

La fuerza nuclear fuerte

• La fuerza nuclear fuerte se presenta en el núcleo de un átomo y mantiene unidos entre sí los neutrones y los protones.

•• Las partículas encargadas de transmitirla son Las partículas encargadas de transmitirla son los gluones.los gluones.

Interacción débil

• La interacción débil causa un tipo de desintegración radiactiva, o división del núcleo de un átomo, conocida como desintegración beta.

•• Las partículas W y Z transportan la Las partículas W y Z transportan la interacción débil.interacción débil.

La fuerza electromagnética

• La fuerza electromagnética afecta a todas las partículas que tienen carga eléctrica, como los electrones.

•• La fuerza electromagnética es transportada La fuerza electromagnética es transportada por fotones,por fotones, que también componen la luz.

Gravedad •• La ley de la gravitación universal establece que cada La ley de la gravitación universal establece que cada

partícula de la materia del Universo atrae a otra partícula de la materia del Universo atrae a otra partícula con una fuerza directamente proporcional al partícula con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas, e inversamente proporcional producto de sus masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. al cuadrado de la distancia que las separa.

No obstante, el campo gravitacional se extiende No obstante, el campo gravitacional se extiende hasta el infinito y la gravedad no desaparece por hasta el infinito y la gravedad no desaparece por

grande que sea la distancia.grande que sea la distancia.

Aplicación de la Gravedad clásicaBiomecánica – Medicina Física y Rehabilitación

• Uno de los principales supuestos de la biomecánica es que el cuerpo humano se comporta de acuerdo con las leyes mecánicas de Newton.

• No se asume que el cuerpo es una máquina, pero sí que la estructura óseo-muscular se comporta como un sistema mecánico en el cual las fuerzas y las cargas aplicadas pueden ser cuantificadas.

EFECTOS DE LA MICROGRAVEDAD SOBRE GENES Y PROTEÍNAS

• Desde hace tiempo, se sabe que la microgravedad afecta a la densidad ósea, pero hastaahora no se había identificado genes y proteínas afectados por la microgravedad que puedenpromover esos trastornos.

• Investigadores de NASA reproducen condiciones de microgravedad, experimentada porastronautas en órbita alrededor de la Tierra.

• Al analizar los efectos sobre células madre embrionarias se comprobó que las célulasexpuestas a la microgravedad produjeron más proteínas que regulan de manera negativa ladensidad ósea, y menos proteínas con efectos antioxidantes.

• La NASA tiene planes de construir una base en uno de los polos de la Luna para el año 2024.La base permitiría la presencia humana constante en la Luna, la cual serviría como escalapara futuras misiones a Marte y más allá. Pero la exposición prolongada a la microgravedadrepresenta riesgos extra para los astronautas.

EFECTOS DE LA MICROGRAVEDAD SOBRE LA BIOGÉNESIS DE RIBOSOMAS Y LA PROLIFERACIÓN Y EL CICLO CELULAR EN PLANTAS

• La gravedad es un factor físico permanente en nuestro planeta, presenteen toda la evolución biológica.

• El crecimiento de las plantas depende de su orientación respecto a lagravedad, mediante el gravitropismo. Se investigan las alteracionescelulares inducidas por ausencia de gravedad en el nucleolo de célulasproliferantes de plantas, la localización ultraestructural del DNA nucleolary de proteínas nucleolares en células meristemáticas de plántas.

• La alteración de la gravedad produjo redistribución del rDNA y deproteínas, mas un descenso en los niveles de éstas, lo cual sugiere ladisminución de la actividad del nucleolo en la síntesis y procesamientode precursores ribosómicos

• El experimento consistió en la germinación de semillas en el espacio y los resultados secompararon con los obtenidos de un experimento control en Tierra, en las mismascondiciones, y otro realizado en microgravedad simulada.

• Las imágenes muestran cultivos de plántulas de Arabidopsis thaliana crecidos enambiente de gravedad (1 g; arriba) y sin gravedad (abajo).

• En el 1er caso, el efecto gravitrópico provoca el crecimiento alineado; en el 2do caso, laausencia de gravitropismo provoca crecimiento sin orientación

• La interpretación es que el ciclo celular se ve profundamente alterado en elambiente espacial.

SupercuerdasSupercuerdas

• En la década de 1980, surge un nuevo modelo matemático de la física teórica llamado la Teoría de cuerdas.

• Se mostró que todas las partículas, y todas las formas de energía en el universo, podrían estar construidas por unas hipotéticas «cuerdas», un conjunto infinitamente pequeño de elementos que sólo tienen una dimensión: la longitud, pero no poseen altura o anchura.

• Las supercuerdas vibran a frecuencias distintas, según la energía que posean: a más energía, mayor vibración.

• Además, la teoría de las cuerdas sugiere que el universo se compone de múltiples dimensiones. (Diez dimensiones). (Diez dimensiones).

1. Partículas son cuerdas2. Gravitación incluida3. Unifica todas las partículas y fuerzas (sueño de Einstein)4. El Universo tiene 10 (11) dimensiones 5. Nuestro universo 10d = 4d+6d (6d muy pequeñas)

Existen de cinco teorías de supercuerdas que incluyen la gravedad: a partir de éstas se llegaría a la obtención de una gran teoría unificada (GUT)

Teoría “M”

• En 1995, Edward Witten, planteo que las cinco teorías de las Cuerdas, junto con la Supergravedaden once dimensiones, eran parte de la "Teoría M" (matriz).

• M, es el nombre de la teoría que pretende explicar todo el universo, desde las partículas elementales y los átomos hasta las galaxias y el Big Bang.

Teoría “M”

• Según las investigaciones del fisico ItzhakItzhak BarsBars, , el Universo tendría el Universo tendría dos dimensiones temporalesdos dimensiones temporales,, una dimensión temporal y otra espacial, que hasta el momento han pasado completamente inadvertidas.

• El primer modelo matemático para el tiempo y el espacio es de Isaac Isaac Newton (1687)Newton (1687) en sus Principios: El tiempo está separado del El tiempo está separado del espacioespacio y por tanto no es afectado por los sucesos que en éste último se produjeran. En este modelo el tiempo es como una línea recta y es considerado eterno.

• En 1915 Albert Einstein propuso su Teoría General de la Relatividad,1915 Albert Einstein propuso su Teoría General de la Relatividad,un modelo nuevo donde se combina la dimensión temporal con las tres espaciales para formar un continuó espacioespacio--tiempo.tiempo.

•• A diferencia de la teoría de Newton, aquí el tiempo A diferencia de la teoría de Newton, aquí el tiempo está entrelazado con el espacio, de manera que no está entrelazado con el espacio, de manera que no

se curva el espacio sin involucrase el tiempo.se curva el espacio sin involucrase el tiempo.

•• Los científicos trabajan desde hace años intentando unificar la Los científicos trabajan desde hace años intentando unificar la Teoría de la Gravedad y la Teoría CuánticaTeoría de la Gravedad y la Teoría Cuántica

•• Recordemos que la Teoría de la Relatividad General describe la Recordemos que la Teoría de la Relatividad General describe la fuerza de la gravedad y la estructura a gran escala del fuerza de la gravedad y la estructura a gran escala del Universo. Universo.

•• La Mecánica Cuántica, por el contrario se ocupa de fenómenos La Mecánica Cuántica, por el contrario se ocupa de fenómenos a escalas extremadamente pequeñas. a escalas extremadamente pequeñas.

•• Pero hasta ahora estas dos teorías son inconsistentes entre sí. Pero hasta ahora estas dos teorías son inconsistentes entre sí.

•• Falta algún eslabón entre las dos......Y ese eslabón podrían ser Falta algún eslabón entre las dos......Y ese eslabón podrían ser dimensiones adicionales del espaciodimensiones adicionales del espacio

•• Muchos teóricos de hoy creen que existen hasta 11 Muchos teóricos de hoy creen que existen hasta 11 dimensiones, 10 espaciales y una temporal :esta es la llamada dimensiones, 10 espaciales y una temporal :esta es la llamada Teoría M.Teoría M.

“Multiversos”

• El término “multiverso” se inventó en 1960, por Andy Nimmo, vice-director de la British Interplanetary Society de Escocia en la interpretación de “varios-mundos” de la física cuántica que se había publicado en 1957.

•• MultiversoMultiverso es un término usado para describir a un hipotético grupo es un término usado para describir a un hipotético grupo de universos y/o dimensiones posibles;de universos y/o dimensiones posibles; generalmente usado por algunas teorías científicas, para describir a un grupo de universos que están relacionados (universos paralelos).

La NASA admite posibilidad de universos múltiples

• Representación del concepto de multiverso creada por la NASA, según la cual otros universos paralelos al nuestro podrían existir con copias de cada uno de nosotros en alguno de ellos (Foto: Cortesía NASA)

"magnetosfera",

• La magnetosfera es la capa más exterior y grande de la atmósfera terrestre: comienza a una altura de 500 kilómetros y se extiende hacia el espacio exterior hasta los 60.000 kilómetros.

• Este campo magnético se genera en el interior de la Tierra, que actúa como una dinamo: al girar el planeta, el núcleo de hierro fundido produce un movimiento de partículas cargadas, convirtiéndose en una especie de imán gigante con su campo y sus polos magnéticos.

• La Tierra no es el único planeta del Sistema Solar con magnetosfera; de hecho, Júpiter, Saturno, Urano, y Neptuno poseen una.

• En cuanto a su descubrimiento, se produjo en 1958 gracias al satélite Explorer I.

• Un importante papel ambiental de la magnetosfera es proteger a la atmósfera más próxima a la Tierra de la radiación iónica.