Introducción a la Biofisica

Unidad 1 Biofisica

1. NEIL
ALEXANDER
DUEÑAS
COELLO
UNIDAD #1
INTRODUCCION A LA BIOFISICA

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Neil Alexander Dueñas Coello
Biofísica
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UNIDAD # 1
INTRODUCCION 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 audición
2. la biomecánica
3. 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.

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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 nervioso
3. Los procesos bio-mecánicos del equilibrio
4. Desplazamiento del organismo humano
5. La óptica geométrica del ojo
6. La transmisión del sonido hasta el oído
interno y el cerebro
7. La mecánica de la circulación sanguínea
8. La respiración pulmonar
9. El proceso de alimentación y
sostenimiento energético del organismo
10. El mecanismo de acción de las moléculas
biológicamente funcionales sobre las
estructuras celulares (las membranas, los
organoidesbioenergéticos
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.

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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.

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 hipótesis
6. Tesis o teoría científica (conclusiones).

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FENOMENOLOGÍA.

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:

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Numero Atómico:
El nº atómico es el nº de protones que hay en el núcleo de dicho átomo.
Masa Atómica:
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.

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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.

¿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.

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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:
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:

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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
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:

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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.














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, Feliscatus (gato), Fraxinusgreggii (fresno),
Parameciumcaudatum (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 & FINAL
IA Metales Alcalinos Litio al Francio; son muy reactivos
IIA Metales Alcalinos Térreos Berilio al Radio
IIIB al IIB Metales de Transición
IIIA Grupo del Boro Boro al Talio
IVA Grupo del Carbono Carbono al Plomo
VA Grupo de los nitrogenoides Nitrógeno al Bismuto
VIA Anfígenos Oxigeno al Polonio
VIIA Halógenos Flúor al Astato; son muy energéticos
VIIIA Gases nobles, raros o
inertes
Helio 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 Helio
L Segundo periodo Litio a Neón
M Tercer periodo Sodio a Argón
N Cuarto periodo Potasio a Kriptón
O Quinto periodo Rubidio al Xenón
P 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
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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.

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

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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.