Introdução à Biofísica

Teoria da origem do Universo• Início:

o Tempo não muito distante e finito no passadoo Tempo não existia antes do começo

• Edwin Hubble (1929):o O universo está em expansão

• Antes do início:o Vazio Não há espaço nem matéria, apenas energia de alta frequência

• Momento inicial (Allan Guth):o Matéria forma-se por súbita variação de um campo elétrico (flutuação do vácuo)

Energia convertida em matéria• Big Bang:

o matéria (Quarks) em expansão sem perder densidadeo Massa de gás (elétrons, pósitrons, neutrinos) a altíssima temperatura (bilhões de

graus)o Expansão esfriamento formam-se prótons e nêutrons

Teoria da origem do Universo• Força da gravidade:

o Forma estrelas e galáxias (primeira geração)o Primeiras galáxias colidem e se fundem aglomerado de estrelas

• Nova explosão:o Formam-se átomos pesadoso Formam-se estrelas e galaxias (segunda geração)

• Universo:o Constituído por centenas de milhares de milhões de galáxiaso Galáxias constituídas por centenas de milhares de milhões de estrelas com amplas

extensões de vazio entre elaso Universo em expansão velocidade crítica gravidade não é capaz de pará-loo Galáxia espiral – VIA LÁCTEA Planeta Terra

Via láctea

Composição dos seres vivos• Seres vivos:

o Constituídos pelos mesmos componentes da Terra e do universoo Moléculas biológicas átomos leveso Organismo humano

Composição atômica Valor percentualHidrogênio 60,56%Oxigênio 25,67%Carbono 10,68%Nitrogênio 2,44%Cálcio 0,23%Fósforo 0,13%Enxôfre 0,13%Sódio 0,08%Potássio 0,04%Cloro 0,03%Magnésio 0,01%Ferro, Zinco, Cobre, Selenio, Flúor, Iodo

Composição dos seres vivos

• Universo:o Composição complexa

• Seres vivos:o Composição complexa

• Componentes fundamentais do universo:Matéria – Energia – Espaço – Tempo

• Descrevem qualitativamente a composição e os fenômenos do universo• Teoria da relatividade:

o Matéria e energia: São equivalentes Estados diferentes da mesma grandeza fundamental E = m x c2

o Espaço e tempo: Tempo não é independente do espaço São indissociáveis estão combinados espaço-tempo

Sistemas de medidas

• Avaliação quantitativa:o Realizada pelo homem entender os fenômenos naturaiso Sistema numéricoo Sistemas de medidas padrões utilizados para quantificar a composição e os

fenômenos do Universo• Grandezas físicas fundamentais

o Procedimentos de medida atribui-se uma unidade Padrão básico de referênciao 14ª Conferência Geral sobre Pesos e Medidas (1971) Sistema Internacional de

Medidas Comprimento metro m Massa quilograma kg Tempo segundo s Corrente elétrica Ampére A Temperatura termodinâmica Kelvin K Quantidade de substância mol mol Intensidade luminosa Candela cd

Sistemas de medidas

• Demais grandezas derivadas das fundamentais• Definição dos padrões para grandezas físicas aleatório• Padrão de comprimento metro-padrão = barra de liga de prata iridiada definido

como a distância arbitrária entre dois finos traços gravados próximos às extremidades da barra a 0ºC e suportada de modo determinado.o Reproduções idênticas ao metro-padrão laboratórios de padrões em todo o mundo

(padrões secundários) terciários quaternários• (1960) adotado o padrão atômico para o metro medida mais precisa + evitar a

influência de fatores ambientais nas dimensões físicas da barrao Comprimento de onda, no vácuo, da radiação laranja-avermelhada emitida por átomos

do isótopo 86 do Kriptônio (86Kr) em descarga elétrica um metro = 1.650.763,73 comprimentos de onda dessa luz

Sistemas de medidas

• Padrão de massa cilindro de liga de platina iridiada (massa de um quilograma)o Padrões secundários enviados a laboratórios padrões massas de outros corpos são

determinadas por pesagem em balança de braços iguais.o Escala atômica padrão de massa unidade de massa atômica (u) massa do

isótopo 12 do carbono (12C) = massa de 12 unidades de massa atômica (1,660 x 10-27 kg) Não é unidade do Sistema Internacional

• Padrão de tempo tempo estabelece a sequência e a durabilidade dos eventos medido por qualquer fenômeno que se repitao Rotação da Terra sobre seu eixo duração do dia tempo universalo Segundo fração 1/86.400 de um diao Necessita-se de relógio calibrado astronomicamenteo Relógios de quartzo vibrações periódicas do cristal de quartzo, sustentados

eletricamente (padrões de tempo secundários)o 1967 Relógio de Césio-133 = 9.192.631.770 períodos de determinada transição

Sistemas de medidas

• Para expressar números muito grandes ou pequenos múltiplos e submúltiploso Deca da 101 deci d 10-1

o Hecto h 102 centi c 10-2

o Quilo k 103 mili m 10-3

o Mega M 106 micro µ 10-6

o Giga G 109 nano n 10-9

o Tera T 1012 pico p 10-12

o Peta P 1015 fento f 10-15

o Exa E 1018 atto a 10-18 • Sistema biológicos submúltiplos expressam melhor as quantidades

o Massa grama (g), miligrama (mg), nanograma (ng) e picograma (pg)o Espaço centímetro (cm), milímetro (mm), micrometro (μm), nanômetro (nm) e

picômetro (pm)

Biofísica• Definição:

o Estudo da matéria, energia, espaço e tempo nos sistemas biológicoso Estudo dos aspectos físicos e físico-químicos dos processos biológicos

• Investigações biológicas questionamento físico do problemao Questão formulada a partir das leis gerais físicas + estruturas atômica e molecular

da matéria o Estudo biofísico da natureza viva conhecimento dos fenômenos vitais o Biofísica:

Esclarece a estrutura e propriedades das moléculas biológicas fundamentais Propriedades e mecanismos de ação das estruturas celulares membranas,

organelas bioenergéticas, sistemas mecânicos e químicos o Sistemas vivos sistemas heterogêneos, ordenados, auto-reguláveis, auto-

reproduzíveis e abertos trocam matéria e energia com o meioS Substâncias fundamentais biopolímeros: proteínas e ácidos nucléicos.

Biofísica• Biofísica:

o Estabelece modelos simples, completos e verificáveis dos fenômenos biológicoso Utiliza a matemática para definir leis e expressões que representem os fenômenos

para melhor compreensão e descrição dos eventoso Biofísica molecular domínio atômico e molecular

Estrutura e propriedades físico-químicas das moléculas biológicas Interações atômicas e moleculares

o Biofísica celular domínio celular e tecidual Estrutura e função de células e tecidos física de membranas biológicas e

processos bioenergéticos Transporte de substâncias através das membranas celulares Geração e transmissão de fenômenos elétricos celulares Processos mecânicos e químicos da contração muscular Fenômenos relacionados com a visão, audição e a fonação

Biofísica• Biofísica:

o Biofísica de sistemas complexos domínio macroscópico Termodinâmica dos processos reversíveis e modulação cinética Fenômenos bioenergéticos Processos de desenvolvimento biológico Circulação do sangue, ventilação pulmonar, transporte de calor

Teoria dos campos• Matéria e energia:

o Estados diferentes da mesma qualidade fundamentalo Matéria impenetrabilidade + massa da inérciao Energia capacidade de realizar trabalho

• Matéria gera e emite campo (energia) manifesta-se no espaço-tempo como força que atua trabalho

MATÉRIA ENERGIA FORÇA TRABALHO• Manifestação do campo:

GRAVIACIONAL ELETROMAGNÉTICO NUCLEAR• Campo gravitacional:

o Somente força de atraçãoo Varia inversamente com o quadrado da distânciao Age a longas distâncias

Teoria dos campos• Campo eletromagnético:

o Com carga: Campo elétrico partículas com carga elétrica – positiva ou negativa Forças atrativa e repulsiva Varia inversamente com o quadrado da distância Age a pequenas distâncias

• Campo magnético pólos norte e sulo Forças atrativa e repulsivao Varia inversamente com o quadrado da distânciao Age a distâncias médias

Teoria dos campos• Campo eletromagnético:

o Sem carga: Radiações eletromagnéticas campos elétrico e magnético

combinados Raios cósmicos – raios X – UV – luz visível – IV – ondas de rádio Atinge distâncias astronômicas

• Campo nuclear:o Agem a distâncias muito curtas – intranucleares

• Força nuclear forte:o Forças principais de atração ou repulsão muito fortes

• Força nuclear fraca:o Forças secundárias fracas entre algumas partículas

Teoria dos campos• Interação entre os corpos:

o Não interagem diretamenteo Interação entre corpo-campo e campo-campo

• Propagação da interação no espaço:o Propagação do efeito nos camposo Demanda tempo para ocorrer

• Estados de energia:o Energia potencial repouso, armazenadao Energia cinética movimento, trabalhando

Energia potencial Energia cinética• Formas de energia:

Campo G Campo EM Campo NGravitacional Elétrica / Magnética Nuclear forteMecânica (trabalho) Eletromagnética Nuclear fraca

Teoria dos campos• Seres vivos:

o Grandes usuários dos estados e formas de energiao Utilizam com eficiência os estados e formas de energia

Campo gravitacional• Inerente a matéria• Atua por força de atração• Campo G real:

o Emitido pela matéria – permanente campo G da Terra• Campo G provocado:

o Produzido pela aceleração dos corpos – transitório campo G gerado por centrífugas

• Manifestação da atividade dos sistemas biológicos no campo G:o Movimento origem muscular (trabalho)o Sons e ruídoso Movimentos de fluidos – gases e líquidos

• Ação do campo G:o Introdução de líquidos no organismo terapia intravenosa de líquidoso Drenagem de cavidades corporais

Campo gravitacional• Ação do campo G:

o Massas volumosas sangue, vísceras, músculos e ossoso Receptores sensoriais mecânicos Mecanorreceptoreso Receptores sensoriais de pressão Barorreceptoreso Receptores que indicam a direção do campo gravitacional

Campos eletromagnético e nuclear

• Campo elétrico:o Atividade elétrica celular campo elétrico propagação captação /

medida / registro – ECG – EEG – EMG – ERG• Campo magnético:

o Determina a estrutura e os fenômenos biológicoso Propriedades de moléculaso Forças de interações entre átomos e moléculaso Reações químicaso Efeitos das interações das radiações com os seres vivos

• Campo Nuclear:o Sustentação das estruturas atômicaso Forças fracas responsáveis pelas emissões radiativas