Biofísica PDF - Curso Introductorio

Curso introductorio: Departamento de Medicina y odontología. Materia: Biociencias. Universidad De La Matanza. Introducción: La biofísica es una ciencia interdisciplinar en la que la biología y la física se combinan para aplicar conceptos físicos al estudio de los organismos vivos y los sistemas b...

Curso introductorio: Departamento de Medicina y odontología. Materia: Biociencias. Universidad De La Matanza. Introducción: La biofísica es una ciencia interdisciplinar en la que la biología y la física se combinan para aplicar conceptos físicos al estudio de los organismos vivos y los sistemas biológicos. A partir de esta definición podría pensarse que en principio esta dinámica pone la física al servicio de la biología, pero no viceversa, la realidad es que la física también se beneficia de la aplicación biológica pues muchas veces le ofrece pruebas empíricas para sus teorías. Las áreas de estudio de la biofísica son tan extensas como las materias que estudian. Algunas de las ramas más conocidas de la biofísica son:  Biofísica molecular: como su nombre lo dice, estudia los fenómenos biológicos que ocurren en el interior de las células, como la dinámica proteíca, motores moleculares, y comunicación celular.  Biomecánica: se centra en las estructuras de carácter mecánico dentro de los organismos vivos, y estudia su función, estructura y movimiento. En esta rama de la biofísica confluyen la anatomía, la fisiología, la física, la mecánica, la ingeniería y la biónica. Las válvulas cardíacas y las prótesis son ejemplos de soluciones biomecánicas.  Bioelectromagnetismo: estudia los campos magnéticos producidos por los seres vivos. El bioelectromagnetismo es diferente del biomagnetismo (la pseudociencia que utiliza campos magnéticos estáticos como método terapéutico) y de la bioelectromagnética (que estudia el efecto del electromagnetismo externo sobre los organismos vivos).  Bioacústica: estudia todo lo relacionado con el sonido y los organismos vivos, incluyendo su producción, su dispersión y su recepción. La principal área de aplicación de la biofísica es la medicina; la mayor parte de los estudios e investigaciones que se desarrollan en este campo tienen como fin último el perfeccionamiento de la medicina. Sin embargo, otra de las grandes ramas de aplicación tiene que ver con la comprensión del mundo animal y vegetal y, por extensión, de los ecosistemas, por lo que también está relacionada con la ecología. Biomecánica: Se denomina biomecánica al análisis de la mecánica del movimiento del cuerpo humano. Se trata de la ciencia que explica cómo y por qué el cuerpo humano se mueve de la forma que lo hace. Esto incluye la interacción existente entre la persona que ejecuta el movimiento y el equipamiento o el entorno. Dentro de la biomecánica, encontramos los conceptos de cinética (estudio de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo) y cinemática (estudio de los movimientos del cuerpo). Cinco importantes componentes de la biomecánica son el movimiento, la fuerza, el momento, las palancas y el equilibrio: Movimiento hace referencia al desplazamiento del cuerpo o de un objeto a través del espacio. La velocidad y la aceleración son componentes importantes del movimiento. Fuerza hace referencia al empuje o la tracción que provocan que una persona o un objeto aceleren, reduzcan la velocidad, se detengan o cambien de dirección. Cantidad de movimiento: hace referencia al resultado de una masa y de su velocidad en su desplazamiento. Palancas: nuestros brazos y piernas funcionan a modo de palancas; una palanca está formada por tres componentes: el brazo de resistencia, el punto de apoyo y el eje de rotación. Equilibrio hace referencia a la estabilidad. Un principio importante del equilibrio es la alineación del centro de gravedad del cuerpo sobre la base de apoyo. Tener un buen equilibrio es importante para la práctica de muchos deportes y ejercicios. Leyes de Newton y el cuerpo humano: Leyes de Newton Las leyes de la mecánica introducidas por Sir Isaac Newton hacen una relación entre las fuerzas aplicadas y los movimientos correspondientes. Dentro de este supuesto encontramos tres leyes fundamentales: La primera Ley de Newton; LEY DE INERCIA: Establece que un objeto en reposo permanecerá en reposo. O un objeto en movimiento se moverá en una línea recta en una velocidad constante si la fuerza neta que actúa sobre el es cero, en otras palabras, es cuando un cuerpo persiste en un estado de reposo, a menos que se le aplique una fuerza. El cajón se mantendrá en reposo hasta que una fuerza se aplique sobre el y le produzca el movimiento. La segunda Ley de Newton; LEY DE MASA: Establece que un objeto con una fuerza neta que actúa sobre él distinta de cero acelerará en la dirección de la fuerza neta y la magnitud de la aceleración será proporcional a la magnitud de la fuerza neta. En otras palabras, donde la fuerza de un objeto es equivalente al movimiento y se mueve en dirección hacia donde se aplica la fuerza. La segunda ley de Newton puede ser formulada como F=m a, donde F es la fuerza aplicada, m es la masa del objeto, y a es la aceleración lineal (translatorial) del objeto sobre el que se aplica la fuerza. Si más de una fuerza actúa sobre él objeto, entonces F representa la fuerza neta o resultante. Cuando mas grande es la inercia de un objeto, mas difícil es ponerlo en movimiento o pararlo si este ya está en movimiento. Esta ley la podemos ver reflejada en la Halterofilia el cual consiste en el levantamiento de la mayor cantidad de peso posible en una barra (se aplica fuerza) donde sus extremos se fijan varios discos, los cuales determinan el peso final que se levanta (la masa). La tercera Ley de Newton se conoce como; LEY ACCIÓN Y REACCIÓN: La cual establece que para cada acción existe una reacción y que las fuerzas de acción y reacción entre los objetos que interactúan son idénticas en magnitud, opuestas en dirección y tienen la misma línea de acción. Esta ley tiene importantes aplicaciones para construir diagramas de cuerpos libres. En palabras simples; si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro objeto, este segundo objeto ejerce la misma fuerza en sentido contrario. Un ejemplo de esta ley es el salto del trampolín, donde la fuerza de acción seria el deportista y la fuerza de reacción seria el rebote que genera el trampolín, se mantiene la magnitud, se genera a dirección opuesta y con la misma línea de acción. Palancas y el cuerpo humano: El principio de palanca es un concepto teórico estudiado en el aula, pero que se aplica diariamente a cada actividad que se realiza. Al abrir una botella de vino con un sacacorchos, al cortar un papel con una tijera, al utilizar una pinza o tenaza, etc. Sin ir más lejos nuestro cuerpo utiliza para moverse diferentes tipos de palancas. Ahora bien, ¿qué es una palanca? Es una barra rígida que puede girar en torno a un punto de apoyo fijo (fulcro). La longitud de la palanca entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la resistencia se llama brazo de resistencia, y la longitud entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la potencia o fuerza se llama brazo de potencia. P: potencia R: Resistencia BP: brazo de potencia BR: Brazo de resistencia La función usual de una palanca es obtener una ventaja mecánica de modo que una pequeña fuerza aplicada en un extremo de una palanca a gran distancia del punto de apoyo produzca una fuerza mayor que opere a una distancia más corta del punto de apoyo en el otro, o bien que un movimiento aplicado en un extremo produzca un movimiento mucho más rápido en el otro. Esto proviene de la ley de la palanca, descubierta por Arquímedes, entre el peso y la distancia necesaria con el punto de apoyo, que permita equilibrar las fuerzas. Arquímedes sabía que no existe peso imposible de levantar, aún con una fuerza débil, si para eso se utiliza una palanca. La ley de la palanca explica porque una palanca puede estar en equilibrio teniendo en un extremo una bola de 100kg y en el otro una de 5kg. Una palanca está en equilibrio cuando el momento de fuerza total hacia la izquierda es igual al momento de fuerza total hacia la derecha (el momento es el giro o rotación de un cuerpo alrededor de un eje). Existen tres tipos de palancas, clasificables según las posiciones relativas de la fuerza o potencia y la resistencia con respecto al punto de apoyo: Palanca de Primer Grado: el punto de apoyo o fulcro se halla entre la potencia o fuerza y la resistencia. También se la llama palanca de equilibrio. Ejemplos de este tipo de palanca son las tijeras, las tenazas y los alicates. En el cuerpo humano se puede observar este tipo de palancas con Flexión y extensión de la cabeza (atlanto occipital). El sistema formado por los músculos de la nuca, que ejercen la fuerza, el peso de la cabeza que tiende a caer hacia delante y el atlas (primera vértebra cervical), que es el punto de apoyo. La potencia está representada por los músculos que se insertan en el occipital, y la resistencia está representada por el cráneo. Palanca de segundo género: la resistencia se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza. Ejemplos de este tipo de palanca son la carretilla, y el cascanueces. En el cuerpo humano se puede observar esta palanca en la articulación tibiotarsiana que se encuentra en la punta del pie, que actúa como el punto de apoyo y la resistencia es el peso del cuerpo que descansa en el tobillo y la potencia es generada por los músculos gemelos. Este tipo de palanca le permite a una persona ponerse en marcha. Palanca de tercer género: la fuerza se encuentra entre el punto de apoyo y la resistencia. El tercer tipo es notable porque la fuerza aplicada debe ser mayor que la fuerza que se requeriría para mover el objeto sin la palanca. Este tipo de palancas se utiliza cuando lo que se requiere es amplificar la distancia que el objeto recorre. Ejemplos de este tipo de palancas son las pinzas que se utilizan para depilar y sacar hielos. En el cuerpo humano un ejemplo de palanca de tercer género se encuentra en el brazo, donde los codos es el punto de apoyo, la resistencia se encuentra en la mano y la potencia está representada por los músculos del brazo que se insertan en el antebrazo y genera movimiento. Radiactividad Todos Hemos escuchado hablar en algún momento de la radiactividad y de los usos de las radiaciones que le da el ser humano, así como de los efectos perjudiciales que pueden tener para la salud y el ambiente. Usos de la radiactividad Usos médicas: Dentro del uso de la radiactividad en las actividades humanas, la más conocida es la de sus aplicaciones médicas. El uso de la radiación en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades se ha convertido en una herramienta básica en medicina. Con ella se ha podido realizar exploraciones del cerebro y los huesos, tratar el cáncer y usar elementos radiactivos para dar seguimiento a hormonas y otros compuestos químicos de los organismos. Usos en agricultura: Quizá sea una de sus aplicaciones más polémicas. Como hemos venido indicando, las radiaciones ionizantes tienen la propiedad de ionizar (arrancar electrones) de la materia que atraviesan. Esta ionización tiene efectos biológicos que cada vez van siendo mejor conocidos. El efecto más claro es el de las mutaciones genéticas que ha habido a lo largo de la evolución. Actualmente se investiga sobre cómo aprovechar estas mutaciones y el efecto de estas radiaciones para mejorar los cultivos, evitar plagas... Así, por ejemplo, cada día vamos viendo aparecer cada vezun número mayor de productos transgénicos (manipulados genéticamente). Usos industriales: Probablemente sea menos conocida la función que desempeña la radiación en la industria y la investigación. La inspección de soldaduras, la detección de grietas en metal forjado o fundido, el alumbrado de emergencia, la datación de antigüedades y la preservación de alimentos son algunas de sus numerosas aplicaciones. Publicado por Lorena Vilchez Valverde en 19:11 Estructura nuclear: El núcleo atómico es muy pequeño y denso y consta de protones y electrones. Un protón tiene una carga eléctrica positiva igual en valor a la carga del electrón y una masa que es unas 1840 veces la masa del electrón. Los neutrones son aproximadamente un 0,1 por ciento más pesados que los protones y no tienen carga eléctrica. Figura: Estructura de un átomo Como vimos en el capítulo de química un núcleo queda especificado por su número atómico Z y su número másico A. Z es el número de protones y A es el número total de neutrones más protones que posee un núcleo. La notación habitual de los núcleos se ilustra como se ve en la figura 15. Este núcleo tiene 92 protones y la suma entre protones y neutrones es de 238, como el número de neutrones es N= A-Z, N= 238-92= 146. Entonces tiene 146 neutrones en su núcleo. U es el símbolo químico del elemento 92, el uranio. Las especies nucleares que tienen el mismo número atómico pero diferente número de neutrones se denominan isótopos. Como la estructura electrónica de los átomos depende sobre todo de la carga positiva total del núcleo, los diferentes isótopos de un elemento son casi idénticos químicamente. Se conocen algo más de 100 elementos naturales o producidos artificialmente y unas 300 especies nucleares estables. Concepto de Radiactividad La radiactividad o radioactividad (es indistinto) es un fenómeno físico que presentan ciertos cuerpos, consistente en la emisión de partículas o radiaciones, o de ambas a la vez, procedentes de la desintegración espontánea del núcleo del átomo. En los núcleos de algunos elementos químicos las partículas subatómicas se encuentran en un estado excitado con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Es un fenómeno por el cual estos elementos son inestables, y al perder energía son capaces de transformarse espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables. La radiactividad puede ser:   Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza.  Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos en transformaciones artificiales. Elementos que tienen isótopos radiactivos naturales: Torio, Radio, Carbono 14c, Tritio, Radón, Potasio, Polonio Isótopos artificiales: Plutonio, Curio, Americio, Cesio, Yodo, Antimonio, Rutenio, Estroncio, Criptón, Selenio, Cobalto Un poco de historia: Antoine Becquerel (1852-1908) observó que los compuestos de Uranio producen rayos invisibles o radiaciones que pueden atravesar un recipiente opaco e impresionar una emulsión fotográfica. Poco después, Pierre y María Curie demostraron que los minerales de uranio también contenían trazas de polonio (Z=84) y radio (Z= 88), ambos mucho más intensamente radiactivos que el uranio. En presencia de un campo magnético la radiación procedente de una fuente radiactiva se separa en tres componentes como se ve en la figura 16, las partículas α(alfa), las partículas β(beta) y los rayos γ (gamma). Partículas α: Tienen carga positiva, tienen poca penetración en la materia, como se ve en la Figura 4, y se sabe en la actualidad que son núcleos de 42He. Partículas β: Pueden tener carga negativa (electrones) o positiva (positrones), penetran un poco más en la materia. Rayos γ: No tienen carga, es decir son neutros y penetran profundamente en la materia. Son fotones cuyas energías son generalmente mayores que las de los rayos X. Las energías de las radiaciones α, β y γ llegan a ser de varios millones de electrovoltios (MeV) por partícula. figura: Penetración de las distintas radiaciones En 1903, rutherford y Soddy demostraron que cuando un núcleo de uranio emite una partícula alfa, se transforma en un núcleo de torio. Así pues, en los procesos de desintegración α se produce una transmutación de los elementos. Otras transmutaciones semejantes se presentan también en la desintegración β, pero no en la desintegración γ. Junto con los primeros descubrimientos de las propiedades físicas básicas de la radiación, se progresó en la comprensión de los efectos biológicos de la radiación. Hacia principios del siglo se descubrió que los rayos X como la radiación nuclear pueden provocar quemaduras en la piel. Sin embargo, no se sabía entonces que también pueden producir cáncer. Los investigadores científicos, los médicos y las personas que trabajan con materiales radiactivos, a menudo recibían dosis masivas de radiación, y en muchos de ellos se producían tumores malignos, a veces décadas después de que cesara la exposición. Hasta los años veinte no se dictaron las primeras limitaciones gubernamentales sobre las exposiciones a la radiación. Actividad: Averiguar: ¿A qué se denomina periodo de semi desintegración? Radiación ionizante La desintegración radiactiva de los núcleos produce varios tipos de radiación ionizante con energías del orden de los millones de electronvoltios por partícula o cuanto. Cuando esta radiación atraviesa la materia, deja un rastro de átomos ionizados a lo largo de su camino. Incluso una cantidad pequeña de ionización puede perturbar seriamente un sistema delicado, como una célula viva o un transistor. La radiación ilustra con claridad poco usual cómo un avance científico puede, a pesar de sus grandes beneficios, causar también grandes daños. Por ejemplo, las radiografías con rayos X son a menudo esenciales en el diagnóstico de enfermedades serias, pero incluso una sola exposición a los rayos X aumenta ligeramente, la posibilidad de desarrollar un cáncer. Por consiguiente, todos aquellos que trabajan con dicha radiación, especialmente en las ciencias de la salud, tienen la obligación de entender la física y la biología de la radiación y de utilizarla prudente y cuidadosamente. La interacción de la radiación con la materia Hay cuatro grandes categorías de radiación que nos interesan. Ordenadas según su penetración en la materia son:  Iones positivos: tales como las partículas α o los protones, los cuales tienen alcances muy cortos en la materia. La penetración media varía inversamente con la densidad del medio, por lo tanto una partícula alfa de 5 MeV puede recorrer aproximadamente 4cm en el aire y no puede atravesar una hoja de papel o una capa de piel  Electrones y positrones. Productos de las desintegraciones nucleares beta tienen penetraciones típicas de un centenar de veces mayores que de las partículas alfa. Por ejemplo, un electrón de 1 MeV tiene una penetración en agua o en tejidos blandos de 0,4 cm.  Rayos ɶ: No producen directamente ionización apreciable. En vez de ello, ceden energía a los electrones, los cuales a su vez producen la ionización. Por  consiguiente, los rayos gamma tienen una gran penetración en la materia. Por ejemplo, un rayo gamma de 1 MeV tiene una penetración media de aproximadamente unos 10 cm en agua.  Neutrones: No tienen carga y sólo producen ionización indirectamente. Como interaccionan principalmente con los pequeños núcleos atómicos más que con los electrones atómicos, tienen una penetración muy grande en la materia (figura 17). Los neutrones con energía de unos pocos millones de electronvoltios pueden penetrar un metro en agua o en tejidos animales. NOTA. Magnitudes biológicas. La dosis absorbida se refiere a un efecto físico: la transmisión de energía a un material. Sin embargo, los efectos de la radiación sobrelos sistemas biológicos también dependen del tipo de radiación y de su energía. La eficacia biológica relativa (EBR) de una radiación particular se define comparando sus efectos con los de un tipo estándar de radiación particular se define comparandosus efectos con los de un tipo estándar de radiación, para la que se toma habitualmente los rayos X de 200 KeV Ley de la radiosensibilidad La ley de la radiosensibilidad (también conocida como ley de Bergonié y Tribondeau, postulada en 1906) dice que los tejidos y órganos más sensibles a las radiaciones son los menos diferenciados y los que exhiben alta actividad reproductiva. Como ejemplo, tenemos:  Tejidos altamente radiosensibles: epitelio intestinal, órganos reproductivos (ovarios, testículos), médula ósea, glándula tiroides.  Tejidos medianamente radiosensibles: tejido conectivo.  Tejidos poco radiosensibles: neuronas, hueso. Efectos perjudiciales de la radiación Cuando la radiación atraviesa células vivas, puede alterar o perjudicar la estructura de las moléculas importantes. Esto puede llevar al funcionamiento defectuoso o la muerte de las células y, en última instancia, a la muerte del organismo. Los efectos de la radiactividad sobre la salud son complejos. Dependen de la dosis absorbida por el organismo. Como no todas las radiaciones tienen la misma nocividad, se multiplica cada radiación absorbida por un coeficiente para tener en cuenta las diferencias. Esto se llama dosis equivalente, que se mide en sieverts (Sv), ya que el becquerel, para medir la peligrosidad de un elemento, erróneamente considera idénticos los tres tipos de radiaciones (alfa, beta y gamma). Una radiación alfa o beta es relativamente poco peligrosa fuera del cuerpo. En cambio, es extremadamente peligrosa cuando se inhala. Por otro lado, las radiaciones gamma son siempre dañinas, puesto que se neutralizan con dificultad. Efectos genéticos: Aunque las mutaciones genéticas han ayudado a los seres humanos a evolucionar hasta su estado actual, la mayoría de las mutaciones son perjudiciales. Cualquier aumento en la tasa de mutación significa más muertes prenatales y más gente nacida con defectos graves. Además de la tragedia personal que ello implica, existe también el problema de que la creciente capacidad de la ciencia médica para mantener vivas a estas personas hasta que se reproducen, tiende a mantener genes defectuosos en la comunidad humana Exposición crónica a la radiación Los seres vivos siempre han estado expuestos a una radiación crónica de bajo nivel debida a los rayos cósmicos y a los radionúclidos (núcleos radiactivos) presentes en su entorno. A este fondo natural, hemos añadido una cantidad igual de radiación producida artificialmente, debida en su mayor parte a los rayos X de diagnóstico médico. Algunos individuos reciben dosis más altas que la media, procedentes de fuentes naturales. En países con suelos con alto contenido de elementos radiactivos naturales la tasa de cáncer es anormalmente elevada. Usos de la radiación La radiactividad se aprovecha para la obtención de energía nuclear, se usa en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades, entre otras). A pesar de sus riesgos, el uso de radiación ionizante en la investigación, diagnosis y terapias médicas ha sido de gran valor y ha salvado muchas vidas. A principios del siglo pasado los rayos X y los radionúclidos naturales (radio, radón)se utilizan ya en la terapia del cáncer. En nuestros días se producen muchos radionúclidos diferentes en los reactores y aceleradores disponibles para su uso en medicina nuclear. Investigación médica: Los aminoácidos, los azúcares (hidratos de carbono), el ADN y la penicilina son unos pocos de los muchos compuestos biológicos comercialmente asequibles con 14C, 3H, 35S, 32P u otros radionúclidos. La radiactividad de estos trazadores hace posible seguir su recorrido y metabolismo de forma precisa y conveniente. El transporte activo del sodio en las fibras nerviosas, el metabolismo de féculas y azúcares, la construcción de proteínas a partir de aminoácidos y la acción de las hormonas y de las drogas son ejemplos de procesos biológicos fundamentales que se han estudiado mediante trazadores. Diagnosis: En la mayoría de los estudios diagnósticos realizados con radionúclidos se administra un compuesto marcado radiactivamente, que es absorbido por el órgano de interés, y un detector en el exterior del cuerpo mide la radiactividad en distintos tiempos y exposiciones. Terapia: Las células cancerosas, que se dividen rápidamente, son altamente vulnerables a la radiación. Por ello, al menos de la mitad de los pacientes de cáncer reciben terapia de radiación, generalmente combinada don operaciones quirúrgicas. La radiación puede administrarse externamente, mediante aparatos de rayos X, 60Co o con aceleradores de electrones como fuente. Bibliografía: Cromer, A. Física para las Ciencias de la Vida. Ed Reverte 2o Edición, 1999. D.J. Mirabent J. Enric Llebot Rabagliati C. Pérez García Física para ciencias de la vida Segunda edición Mc Graw-Hill/Interamericana 2009. Raúl Villar,Cayetano López ,Fernando Cussó ECU (Editorial Club Universitario) e-book v.1.0 Biomecánica y leyes de escala Vol 1. Raúl Villar,Cayetano López ,Fernando Cussó ECU (Editorial Club Universitario) e-book v.1.0 Fundamentos físicos de los procesos biológicos Vol 2.