introducción a la biofisica

NEIL ALEXANDER DUEÑAS COELLO

UNIDAD #1

INTRODUCCION A LA BIOFISICA

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UNIDAD # 1INTRODUCCION A LA BIOFISICA

INTRODUCCION

¿Qué es?

La biofísica es la ciencia que estudia la biología con los principios y métodos de la física.

¿Qué hace?

Se discute si la biofísica es una rama de la física o de la biología: Desde un punto de vista puede concebirse que los conocimientos y enfoques acumulados en la física "pura" pueden aplicarse al estudio de los sistemas biológicos.

¿En qué aporta?

En ese caso la biofísica le aporta conocimientos a la biología, pero no a la física, sin embargo, le ofrece a la física evidencia experimental que permite corroborar teorías.

Ejemplos:

1. física de la audición2. la biomecánica3. los motores moleculares 4. comunicación molecular

FORMACIÓN DEL UNIVERSO Y EL ORIGEN DE LA VIDA

Se considera el Big Bang como el origen del universo pero también del tiempo. El espacio, la materia y el tiempo son indisociables.

El Big Bang (hace 15.000 millones de años) es el momento en que esas nociones empiezan a ser utilizables. Es por tanto, elegido el origen del universo por comodidad.

_______________________________________________________________Neil Alexander Dueñas CoelloBiofísica

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¿Qué era el Big Bang?

Se le denomino Big Bang al estado del universo en el cual la materia se encontraba de una forma desorganizada.

Un único espacio, lleno uniformemente de luz y de materia.

LA BIOFÍSICA Y LA MEDICINA MODERNA.

La Biofísica ha hecho grandes aportes a la Medicina.

El conocimiento Biofísico ha sido el pilar fundamental para el entendimiento de los fenómenos fisiológicos que son base del funcionamiento del organismo humano en estado normal y patológico.

Dentro de ellos podemos mencionar:

1. La recepción de señales exteriores por parte del organismo

2. La transmisión del impulso nervioso3. Los procesos bio-mecánicos del equilibrio 4. Desplazamiento del organismo humano5. La óptica geométrica del ojo6. La transmisión del sonido hasta el oído

interno y el cerebro7. La mecánica de la circulación sanguínea8. La respiración pulmonar9. El proceso de alimentación y sostenimiento

energético del organismo10.El mecanismo de acción de las moléculas

biológicamente funcionales sobre las estructuras celulares (las membranas, los organoides bioenergéticos

11.Los sistemas mecano-químicos)12.Los modelos físico-matemáticos de los procesos biológicos

De otro lado, el establecimiento de las bases biofísicas de los fenómenos arriba mencionados ha sido básico para el desarrollo de dispositivos técnicos, aparatos y medidores para obtener bio-información, equipos de autometría y telemetría; que permiten un diagnóstico médico más efectivo y confiable.

En la actualidad el desarrollo de la Medicina depende en gran medida de su capacidad tecnológica, la cual está determinada por el desarrollo del conocimiento biofísico soporte de la Bioingeniería.


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LA CIENCIA: MÉTODO CIENTÍFICO.

¿Qué es Ciencia?

Es el conjunto de conocimientos sistemáticamente estructurados obtenidos mediante la realización del método científico.

Método Científico

El método científico es un proceso destinado a explicar fenómenos, establecer relaciones entre los hechos y enunciar leyes que expliquen los fenómenos físicos del mundo y permitan obtener, con estos conocimientos, aplicaciones útiles al hombre.

Los científicos emplean el método científico como una forma planificada de trabajar. Sus logros son acumulativos y han llevado a la Humanidad al momento cultural actual.

Pasos del método científico:

1. Observación: Observar es aplicar atentamente los sentidos a un objeto o a un fenómeno, para estudiarlos tal como se presentan en realidad, puede ser ocasional o causalmente.

2. Inducción: La acción y efecto de extraer, a partir de determinadas observaciones o experiencias particulares, el principio particular de cada una de ellas.

3. Hipótesis: Planteamiento mediante la observación siguiendo las normas establecidas por el método científico

4. Probar la hipótesis por experimentación.5. Demostración o refutación (antítesis) de la hipótesis6. Tesis o teoría científica (conclusiones).

FENOMENOLOGÍA.


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Método de investigación descriptiva de lo que la experiencia ofrece, penetrando (sin abstracción) en los distintos aspectos e implicaciones en profundidad del objeto, o, más bien, de su ausencia.

Movimiento filosófico del siglo XX caracterizado por su pretensión de radical fidelidad a lo dado, a lo que realmente se ofrece a la experiencia, para describir los rasgos esenciales, las esencias de las distintas regiones de la realidad que en esta actitud se muestran.

Su gran expositor fue E. Husserl en sus Investigaciones lógicas.

FIDEISMO Teoría filosófico-religiosa que reconoce en la fe el único fundamento para el conocimiento religioso (incluso sobre la misma existencia de Dios), y, por supuesto, una fuente de saber superior a la razón, y necesaria para la fecundidad de ésta.

ESTRUCTURA DE LA MATERIA.

¿Qué es Materia?

Materia es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio

¿Qué es un átomo?

Es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

Por último, un átomo puede perder o ganar electrones, transformándose en un ión (especie química con carga eléctrica).Si el átomo pierde electrones se convierte en un ión positivo: catión.Si el átomo gana electrones se convierte en un ión negativo: anión

Debido a la neutralidad eléctrica del átomo, el nº atómico también nos indicará el nº de electrones que se encuentran en la corteza.

Los átomos de los distintos elementos se diferencian en el nº de estas partículas que contienen, por tanto se podrían diferenciar por:

Numero Atómico:

El nº atómico es el nº de protones que hay en el núcleo de dicho átomo.

Masa Atómica:


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El nº másico es la suma de protones y neutrones que contiene el núcleo del átomo.

¿De qué está compuesta la materia?

La materia se encuentra compuesta de átomos. En el núcleo se encuentran los protones y neutrones. Los protones poseen carga eléctrica positiva, mientras que los neutrones no tienen carga.En la corteza se encuentran los electrones, orbitando en torno al núcleo y poseen carga eléctrica igual a la de los protones pero de signo negativo.

EL ELECTRÓN

Representado por el símbolo: e−

Es una partícula subatómica de tipo fermiónico.

En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones, formando orbitales atómicos dispuestos en sucesivas capas.

Los electrones tienen una masa de 9,11×10-31 kilogramos, unas 1840 veces menor que la de los neutrones y protones.

Siendo tan livianos, apenas contribuyen a la masa total de las sustancias.

Su movimiento genera la corriente eléctrica, aunque dependiendo del tipo de estructura molecular en la que se encuentren, necesitarán más o menos energía para desplazarse.

Estas partículas desempeñan un papel primordial en la química, ya que definen las atracciones entre los átomos.

EL PROTÓN

Es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva 1, signo contrario a la del electrón, y una masa 1.836 veces superior a la de un electrón.

Tiene una vida media de 1035 años aunque teorías dicen que el protón puede desintegrarse en otras partículas.

El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos.

En un átomo, el número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y qué elemento químico es.


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¿Qué es un Isótopo?

Se llaman isótopos cada una de las variedades de un átomo de cierto elemento químico, los cuales varían en el núcleo atómico. El núcleo presenta el mismo número atómico (Z), constituyendo por lo tanto el mismo elemento, pero presenta distinto número másico (A).

EL NEUTRÓN

Es una partícula subatómica sin carga neta

Está presente en el núcleo de todos los átomos excepto en el protio.

Aunque se dice que el neutrón no tiene carga, en realidad está compuesto por tres partículas fundamentales cargadas llamadas quarks.

Fuera del núcleo atómico, los neutrones son inestables, teniendo una vida media de 15 minutos

Cada neutrón se descompone en un electrón, un antineutrino y un protón.

Su masa es muy similar a la del protón, aunque ligeramente mayor.

POSITRÓN O ELECTRÓN POSITIVO:

El positrón o antielectrón es una partícula elemental, posee la misma cantidad de masa y carga eléctrica sin embargo, esta es positiva

No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria, aunque se producen en numerosos procesos radio-químicos como parte de transformaciones nucleares.

Predicha por Paul Dirac en el año de 1928, para luego ser descubierta en el año 1932 por el físico norteamericano Anderson.

En la actualidad los positrones son rutinariamente producidos en la Tomografía por emisión de positrones usados en las instalaciones hospitalarias.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA:


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La materia viva e inerte se puede encontrar en diversos estados de agrupación diferentes.

Esta agrupación u organización puede definirse en una escala de organización que sigue de la siguiente manera de menor a mayor organización:

Sub-Atómico:

Este nivel es el más simple de todo y está formado por electrones, protones y neutrones, que son las distintas partículas que configuran el átomo.

Atómico:

Es la unidad más pequeña de un elemento químico, Es un átomo de oxígeno, de hierro, de cualquier elemento químico.

Molecular:

Las moléculas consisten en la unión de diversos átomos iguales o diferentes para formar, por ejemplo, oxígeno en estado gaseoso (O2), dióxido de carbono, o simplemente carbohidratos, proteínas, lípidos.

Celular:

Las moléculas se agrupan en unidades celulares con vida propia y capacidad de autorreplicación.

Tisular:

Las células se organizan en tejidos: epitelial, adiposo, nervioso, muscular.

Organular:

Los tejidos están estructuras en órganos: corazón, bazo, pulmones, cerebro, riñones, etc.

Sistema – Aparatos:

Los órganos se estructuran en aparatos digestivos, respiratorios, circulatorios, nerviosos.

Organismo:

Nivel de organización superior en el cual las células, tejidos, órganos y aparatos de funcionamiento forman una organización superior como seres vivos: animales, plantas, insectos


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Población:

Los organismos de la misma especie se agrupan en determinado número para formar un núcleo poblacional: una manada de leones, o lobos, un bosque de arces, pinos.

Comunidad:

Es el conjunto de seres vivos de un lugar, por ejemplo, un conjunto de poblaciones de seres vivos diferentes. Está formada por distintas especies.

Ecosistema:

Es la interacción de la comunidad biológica con el medio físico, con una distribución espacial amplia.

Paisaje:

Es un nivel de organización superior que comprende varios ecosistemas diferentes dentro de una determinada unidad de superficie. Por ejemplo, el conjunto de vida, olivar y almendros características de las provincias del sureste español.

Región:

Es un nivel superior al de paisaje y supone una superficie geográfica que agrupa varios paisajes.

Bioma:

Son ecosistemas de gran tamaño asociados a unas determinadas características ambientales: macro-climáticas como la humedad, temperatura, radiación y se basan en la dominancia de una especie aunque no son homogéneos.

Biosfera:

Es todo el conjunto de seres vivos y componentes inertes que comprenden el planeta tierra, o de igual modo es la capa de la atmósfera en la que existe vida y que se sustenta sobre la litosfera.


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NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS

En la materia viva existen varios grados de complejidad, denominados niveles de organización. Dentro de los mismos se pueden diferenciar niveles abióticos (materia no viva) y niveles bióticos (materia viva).

SER:

Cualquier cosa que existe. Hay seres vivos, por ejemplo, bacterias, hongos, protozoarios, algas, animales, plantas, etc., y seres inertes, como los virus, una roca, el agua, la luz, el calor, el sol, una pluma, un cuaderno, una silla, una mesa, mi Pepsi, una pieza de pan, etc.

INDIVIDUO:

Un individuo es cualquier ser vivo, de cualquier especie. Por ejemplo, un gato, un perro, un elefante, un fresno, un naranjo, un humano.


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ESPECIE:

Es un conjunto de individuos que poseen el mismo genoma.

Genoma es el conjunto de genes que determinan las características fenotípicas de una especie. Por ejemplo, Felis catus (gato), Fraxinus greggii (fresno), Paramecium caudatum (paramecio), Homo sapiens (Humano), etc.

POBLACIÓN:

Es un conjunto de individuos que pertenecen a la misma especie y que ocupan el mismo hábitat. Por ejemplo, población de amibas en un estanque, población de ballenas en el Golfo de California.

COMUNIDAD:

Es un conjunto de poblaciones interactuando entre sí, ocupando el mismo hábitat. Por ejemplo, una comunidad de semi-desierto, formada por nopales, mezquites, gramíneas, escorpiones, escarabajos, lagartijas, etc.

ECOSISTEMA:

Es la combinación e interacción entre los factores bióticos (vivos) y los factores abióticos (inertes) en la naturaleza. También se dice que es una interacción entre una comunidad y el ambiente que le rodea. Ejemplo, charcas, lagos, océanos, cultivo, bosque, etc.

BIOMA:

Es un conjunto de comunidades vegetales que ocupan la misma área geográfica. Por ejemplo, Tundra, Taiga, Desierto, Bosque Templado Caducifolio.

BIÓSFERA:

Unidad ecológica constituida por el conjunto de todos los ecosistemas del planeta Tierra. Es la parte de nuestro planeta habitada por todos los seres vivos.


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GENERALIDADES DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS

Las características más importantes de los compuestos orgánicos son las relativas a su composición naturaleza covalente de sus enlaces, combustibilidad y abundancia.

Composición:

Todos los compuestos orgánicos contienen carbono y prácticamente siempre hidrógeno. También es frecuente que posean oxígeno o nitrógeno.

Existen grupos importantes de compuestos orgánicos que poseen azufre, fósforo o halógenos y hasta algunos metales.

Carácter covalente

Aunque existen muchos compuestos orgánicos iónicos, la inmensa mayoría son covalentes, lo que se traduce en que poseen las características de este tipo de sustancias:

- muchos son gaseosos o líquidos y sólidos

- sus puntos de fusión son relativamente bajos

- no son conductores.

- son solubles en disolventes no polares.

Combustibilidad

Los compuestos orgánicos se caracterizan por su facilidad de combustión, transformándose en dióxido de carbono y agua y su sensibilidad a la acción de la luz y del calor, experimentando descomposición o transformación química.

Abundancia

El número de compuestos de carbono es enorme y sobrepasa con mucho al del conjunto de los compuestos del resto de los elementos químicos.


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Contrariamente a lo que se pensaba a principios del siglo XIX, la síntesis de un nuevo compuesto orgánico es una tarea fácil y anualmente se preparan cientos de miles de nuevos compuestos.

La causa de la existencia de un número tan elevado de compuestos de carbono se debe al carácter singular de este elemento, que puede:

- Formar enlaces fuertes con los más variados elementos, tanto con los muy electronegativos como con los de carácter metálico más acentuado.

- Unirse consigo mismo con enlaces covalentes fuertes, formando largas cadenas lineales, ramificadas o cíclicas.

- Formar enlaces múltiples (dobles y triples) consigo mismo o con otros elementos.

- Como consecuencia de estas características existen muchos compuestos con la misma composición pero distinta estructura, fenómeno muy frecuente en química orgánica que se conoce con el nombre de isomería.

TABLA PERIÓDICA

Es el conjunto de símbolos químicos que están ordenados en forma periódica de acuerdo a su numero atómico en forma ascendente. Esta tabla permite clasificar a los elementos en metales, no metales & gases nobles.

Una línea diagonal quebrada ubica a su lado izquierdo a los metales y a su lado derecho a los no metales & aquellos elementos que están en la línea diagonal, presenta propiedades metales y no metálicas. Se los llama Metaloides.

Historia

Los seres humanos siempre hemos estado tentados a encontrar una explicación a la complejidad de la materia que nos rodea. Al principio se pensaba que los elementos de toda materia se resumían al agua, tierra, fuego y aire. Sin embargo al cabo del tiempo y gracias a la mejora de las técnicas de experimentación física y química, nos dimos cuenta de que la materia es en realidad más compleja de lo que parece. Los químicos del siglo XIX encontraron entonces la necesidad de ordenar los nuevos elementos descubiertos. La primera manera, la más natural, fue la de clasificarlos por masas atómicas, pero esta clasificación no reflejaba las diferencias y similitudes entre los elementos. Muchas más clasificaciones fueron adoptadas antes de llegar a la tabla periódica que es utilizada en nuestros días.


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Grupo o Familia

De acuerdo a los electrones de valencia, los elementos son agrupados en forma vertical o columna. A este tipo de agrupación se lo conoce como grupo o familia.

GRUPO NOMBRE DEL GRUPO ELEMENTO INICIAL & FINALIA Metales Alcalinos Litio al Francio; son muy reactivosIIA Metales Alcalinos Térreos Berilio al RadioIIIB al IIB Metales de TransiciónIIIA Grupo del Boro Boro al TalioIVA Grupo del Carbono Carbono al PlomoVA Grupo de los nitrogenoides Nitrógeno al BismutoVIA Anfígenos Oxigeno al PolonioVIIA Halógenos Flúor al Astato; son muy energéticosVIIIA Gases nobles, raros o

inertesHelio al Radón; llamados asi porque tienen su configuración estable excepto el Helio

Niveles o Periodos

En cambio de acuerdo al número de capa que tiene la corona del átomo, se los ha agrupado en forma horizontal o fila. A este tipo de agrupación se la conoce como niveles de energía o periodos.

NOMBRE DEL PERIODO

NUMERO DE NIVEL ELEMENTO INICIAL & FINAL

K Primer periodo Hidrogeno y HelioL Segundo periodo Litio a NeónM Tercer periodo Sodio a ArgónN Cuarto periodo Potasio a KriptónO Quinto periodo Rubidio al XenónP Sexto periodo 32 elementos, del 57 al 71 llamados

Lantánidos o tierras raras.Q Séptimo periodo Incompleto, 14 de ellos fuera de la

tabla llamados actínidos a partir del 89

SÓLIDOS

Los sólidos se forman cuando las fuerzas de atracción entre moléculas individuales son mayores que la energía que causa que se separen.

Las moléculas individuales se encierran en su posición y se quedan en su lugar sin poder moverse.


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Aunque los átomos y moléculas de los sólidos se mantienen en movimiento, el movimiento se limita a una energía vibracional y las moléculas individuales se mantienen fijas en su lugar y vibran unas al lado de otras.

A medida que la temperatura de un sólido aumenta, la cantidad de vibración aumenta, pero el sólido mantiene su forma y volumen ya que las moléculas están encerradas en su lugar y no interactúan entre sí.

Estado Solido:

En este estado predomina la fuerza de cohesión o extracción. Las moléculas que forman los sólidos están unidas por fuerzas de atracción unidas muy fuertes.CARACTERISTICAS:

- Tienen forma y volumen definidos.

- El movimiento de las moléculas es muy poco o nulo por estar muy juntas.

- Ejemplos...La piedra, cerros, hielo, etc

LIQUIDOS

Se forman cuando la energía de un sistema aumenta y la estructura rígida del estado sólido se rompe.

Aunque en los líquidos las moléculas pueden moverse y chocar entre sí, se mantienen relativamente cerca, como los sólidos.

Usualmente, en los líquidos las fuerzas intermoleculares unen las moléculas que seguidamente se rompen. A medida que la temperatura de un líquido aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales también aumenta.

Como resultado, los líquidos pueden “circular” para tomar la forma de su contenedor pero no pueden ser fácilmente comprimidas porque las moléculas ya están muy unidas. Por consiguiente, los líquidos tienen una forma indefinida, pero un volumen definido.


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Estado líquido

En este estado la fuerza de cohesión y repulsión actúan con igual intensidad en sus moléculas.

CARACTERISTICAS:

Tienen volumen constante Adoptan la forma del recipiente que las contienen. El movimiento de las moléculas es constante y desordenado. Estas características hacen que se denomine fluido. Ej... ríos, lagos, lagunas, mares, océanos, etc.

PRESION HIDROSTATICA

La presión hidrostática es la fuerza por unidad de aérea que ejerce un liquido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido, como esta presión se debe al peso del liquido, esta presión depende de la densidad (p), la gravedad (g) y la profundidad (h) del lugar en donde medimos la presión.

No olvidar que la presión de un líquido depende de la profundidad y de la densidad del líquido.

ENERGIA

Al mirar a nuestro alrededor se observa que las plantas crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que precisan del concurso de la energía.

Entonces:

La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza.

La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo._______________________________________________________________Neil Alexander Dueñas CoelloBiofísica

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La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.

La energía es una magnitud cuya unidad de medida en el S.I. es el julio (J).

La Energía puede manifestarse de diferentes maneras: en forma de movimiento (cinética), de posición (potencial), de calor, de electricidad, de radiaciones electromagnéticas, etc. Según sea el proceso, la energía se denomina:

Energía térmica

La Energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura.

Energía eléctrica

La Energía eléctrica es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce, fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, térmico y magnético. Ej.: La transportada por la corriente eléctrica en nuestras casas y que se manifiesta al encender una bombilla.

Energía radiante

La Energía radiante es la que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR), etc. La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno. Ej.: La energía que proporciona el Sol y que nos llega a la Tierra en forma de luz y calor.

Energía química

La Energía química es la que se produce en las reacciones químicas. Una pila o una batería poseen este tipo de energía. Ej.: La que posee el carbón y que se manifiesta al quemarlo

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Energía nuclear

La Energía nuclear es la energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión, ej.: la energía del uranio, que se manifiesta en los reactores nucleares.


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