1
FENOMENOS BIOFISICOS MOLECULARES FENÓMENOS BIOFÍSICOS MOLECULARES. Fenómeno: todo cambio o transformación que se realice en la naturaleza, se clasifican en: 1. Fenómenos Químicos. 2. Fenómenos Físicos. 3. Fenómenos biofísicos-moleculares. Los fenómenos físicos son todos aquellos que no cambian en la estructura interna de la materia. Los fenómenos químicos son aquellos que cambian la estructura interna de la materia. Los fenómenos biofísicos moleculares son procesos que se realizan en los seres vivos, los cuales se basan en leyes físicas y físico-químicas dando lugar a la formación de dichos fenómenos. Los fundamentos moleculares de la Biofísica se rigen en las biomoléculas, o macromoléculas, y su funcionamiento en todo aspecto. Fenómenos de superficie: Varios de los procesos biológicos tienen que ver con los diferentes fenómenos que suceden en una superficie de contacto, que se encuentran especialmente separadas en pequeñas partículas. Estas superficies se les conoce con el nombre de interfaces y los fenómenos que en estas ocurren se les conoce como fenómenos de superficie. En conclusión los fenómenos de superficie son varios fenómenos que se producen en una superficie de contacto la cual se encuentra distanciada por partículas muy pequeñas. Las fuerzas de cohesión y de repulsión intermolecular influyen en las propiedades que se encuentran en la materia, tales como: el punto de ebullición, de fusión, el calor de vaporización y la tensión superficial. Dentro de una interface, rodeando a una molécula se presentan atracciones proporcionadas; en cambio en la superficie, dicha molécula se encuentra únicamente rodeada por moléculas que son atraídas hacia el interior del líquido por las moléculas que la rodean, al realizar dicho proceso el líquido se comporta como si estuviera rodeado por una membrana invisible. TENSIÓN SUPERFICIAL
La tensión superficial se encuentra dentro de los fenómenos de superficie y esta es la tendencia que posee un líquido para disminuir su extensión hasta llegar a obtener una energía superficial baja lo cual hará que este sea estable. En la actualidad se ha permitido demostrar que para determinar la medición correspondiente a la tensión superficial es necesario considerar la fuerza, la presión y la deformación que esta puede presentar. En general es la fuerza producida por una superficie que se encuentra dividida por l a longitud del borde de la misma, es decir su perímetro. Se le define también como “la fuerza que una superficie ejerce sobre un contorno, perpendicularmente perpendicularmente a él, dirigida hacia el seno de la superficie y tangencialmente a ella”. Coeficiente de la tensión superficial: Según la fórmula: F1= T .1 Jonathan Dominguez Grupo 7 Catedra de Biofísica
2
F1 es la fuerza que ejercen ambas caras de la película líquida presente en un recipiente, con eso solo hay que dividir por 2 la constante k para que se cumpla con la fórmula. T = k/2 Por tanto T es el coeficiente de tensión superficial el cual coincide de forma numérica con la fuerza que se ejerce sobre 1cm. de longitud. Por tanto si la fuerza se mide en dinas y el coeficiente de tensión superficial en centímetros las unidades son dyn/cm. Propiedades de la tensión superficial: • La fuerza no varía al aumentar la superficie por tanto, no es elástica. • La fuerza está dada por las fases de contacto que se presenten. • La tensión superficial se da en una determinada interface. • El coeficiente de tensión de una interface depende de la temperatura. ADHESION
La Adhesión es un fenómeno de superficie que se produce en la unión entre dos superficies distintas. Es la fuerza con la que se atraen moléculas de diferente clase necesitándose dos elementos: El adhesivo y el adherente. El adherente es el cuerpo que posee mayor energía en la superficie capaz de atraer al adhesivo y esa propiedad se llama energía superficial. Ejemplos: Gotas de agua en el parabrisas. Gotas de agua en una telaraña. Residuos de los alimentos en el esmalte de los dientes. ADHESIVO ADHERENTE COHESION Es la atracción entre moléculas de la misma clase que mantiene unidas las partículas de una sustancia. Este fenómeno de superficie da lugar a la formación de los tres estados de la naturaleza: Solido Liquido Gaseoso Sólidos: la cohesión es máxima sus espacios intermoleculares, están fuertemente atraídas las moléculas por ello son poco deformadas. Propiedades: Dureza: es la resistencia superficial a ser rayados y penetrados. Maleabilidad: es la resistencia que presentan los sólidos al soportar fuerzas de presión sin romperse. Ductibilidad: es la resistencia que presentan los sólidos al soportar fuerzas de tensión sin romperse hasta su límite elástico. En los sólidos, la cohesión depende de cómo se encuentran distribuidos los átomos, las moléculas y los iones, dependiendo del estado de equilibrio de las partículas atómicas. Líquidos: la cohesión es mínima, razón por la cual las moléculas se separan o dispersan fácilmente. Jonathan Dominguez Grupo 7 Catedra de Biofísica
3
Propiedades: Escurrimiento o fluidez Los líquidos si se concentra En los líquidos, la cohesión se refleja en la tensión superficial. Gases: la cohesión es nula por ello son expandibles o volátiles. En los gases la fuerza de cohesión puede observarse en su licuefacción. La cohesión es la causa de que el agua forme gotas. Diferencia entre cohesión y adhesión: La cohesión es distinta de la adhesión porque la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas contiguas dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos. CAPILARIDAD La cohesión, la adhesión y la tensión superficial causan la capilaridad (movimiento de agua hacia arriba de un capilar). Propiedad física del agua en la que avanza por medio de un canal pequeño que puede ser determinado en micras o milímetros, esto sucede cuando el agua se encuentra en contacto con las dos paredes del canal, las cuales pueden permanecer juntas para un mayor ascenso o descenso de la mi sma.
La capilaridad, es el principio original por el cual el agua logra circular a través del suelo, para que por medio de unos finos pelillos la planta logre absorber los nutrientes necesarios para su crecimiento adecuado. DIFUSION
Dibujo esquemático de los efectos de la difusión de moléculas a través de una membrana celular. La difusión (también difusión molecular) es un proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropía (Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disuelven. Normalmente los procesos de difusión están sujetos a la Ley de Fick. La membrana permeable puede permitir el paso de partículas y disolvente siempre a favor del gradiente de concentración. La difusión, proceso que no requiere aporte energético, es frecuente como forma de intercambio celular. Difusión sustitucional Jonathan Dominguez Grupo 7 Catedra de Biofísica
4
En este tipo de difusión, el tamaño del átomo que difunde y el de los átomos de la red cristalina es parecido. La difusión se produce aprovechando los defectos de laguna. Difusión intersticial La difusión intersticial se produce cuando los átomos entrantes son más pequeños que los existentes en la red cristalina. La ley que rige la difusión es la Ley de Fick. Otra forma para encontrar la correlación de difusión entre átomos, es sacar la derivada por la hipotenusa entre el radio de cierta medida, entre los caracteres de un punto polar en la primera cara de cff; por la integral de dicha ecuación. Difusión neta Diferencia de difusión entre las dos regiones de distinta concentración es lo que se conoce como difusión neta Segunda ley de Fick (estado no estacionario) Para un gas en un sólido D= difusividad Co= concentración inicial Cx= concentración final Cs= concentración superficial t= tiempo x= distancia desde la superficie Separación isótropa Difusión gaseosa Difusión térmica líquida Difusión a través de membranas biológicas Difusión facilitada; Difusión simple, sin necesidad de un canal proteico; difusión en el sistema respiratorio - en la alveolo de los pulmones de los mamíferos, debido a diferencias en presiones parciales a lo largo de la membrana alveolar-capilar, el oxígeno se difunde hacia la sangre y el dióxido de carbono hacia afuera.
Jonathan Dominguez Grupo 7 Catedra de Biofísica
5
OSMOSIS Se define ósmosis como una difusión pasiva, caracterizada por el paso del agua, disolvente, a través de la membrana semipermeable, desde la solución más diluida a la más concentrada.
Y entendemos por presión osmótica, a aquella que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable. Al considerar como semipermeable a la membrana plasmática, las células de los organismos pluricelulares deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos tisulares que los bañan.
Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos, se haría hipertónica respecto a las células, como consecuencia se originan pérdida de agua y deshidratación (plasmólisis) De igual forma, si los líquidos extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos respecto a las células. El agua tiende a pasar al protoplasma y las células se hinchan y se vuelven turgentes, pudiendo estallar (en el caso de células vegetales la pared de celulosa lo impediría), por un proceso de turgescencia.
Jonathan Dominguez Grupo 7 Catedra de Biofísica
6
En el caso de los eritrocitos sanguíneos la plasmólisis se denomina crenación y la turgescencia el de hemólisis.
ADSORCIÒN
Los procesos en las superficies gobiernan muchos aspectos de la vida cotidiana, incluyendo la vida misma. Aunque se limite la atención a las superficies sólidas, la importancia de los procesos apenas se reduce. La viabilidad de una industria está determinada bien constructivamente, como en la catálisis, o bien destructivamente, como en la corrosión, por procesos que tienen lugar en las superficies sólidas. Por otra parte, en los sistemas biológicos, la transferencia de materiales hacia el interior y hacia el exterior de las células tiene lugar mediante adsorción sobre la membrana celular, penetración en la misma y desorción en la superficie opuesta de la membrana. Se llama adsorción al fenómeno de acumulación de partículas sobre una superficie. La sustancia que se adsorbe es el adsorbato y el material sobre el cual lo hace es el adsorbente. El proceso inverso de la adsorción es la desorción. Las características principales de la adsorción son: 1º.- La adsorción es altamente selectiva. La cantidad adsorbida depende en gran medida de la naturaleza y del tratamiento previo al que se haya sometido a la superficie del adsorbente, así como de la naturaleza de la sustancia Jonathan Dominguez Grupo 7 Catedra de Biofísica
7
adsorbida. Al aumentar la superficie de adsorbente y la concentración de adsorbato, aumenta la cantidad adsorbida. 2º.- Es un proceso rápido cuya velocidad aumenta cuando aumenta la temperatura, pero desciende cuando aumenta la cantidad adsorbida. 3º.- Es un proceso espontáneo, es decir, que ð G es negativa, y en general está asociada con un aumento en el orden del adsorbato, lo que significa que ð S es negativa, por lo cual, y de acuerdo con la ecuación ð G = ð H - Tð S, es generalmente exotérmica, lo que quiere decir que ð H es negativo. El cambio en la entalpía cuando un mol de adsorbato es adsorbido por la cantidad apropiada del adsorbente se conoce como la entalpía de adsorción. 4º.- Dado que los procesos de adsorción son generalmente exotérmicos, al aumentar la temperatura disminuye la cantidad adsorbida. Son muchos los tipos de adsorción existentes (sólido-gas, sólido-líquido, líquido-gas...), pero esta práctica se ceñirá al estudio de la adsorción sólidolíquido. Los sólidos son capaces de adsorber uno o más componentes de una mezcla líquida, o bien el soluto o el disolvente de una solución. Atendiendo a las fuerzas de interacción entre las moléculas de adsorbente y adsorbato, se acepta la existencia de dos tipos fundamentales de adsorción. Cuando estas fuerzas son del tipo dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido o fuerzas de dispersión, se usa el término de adsorción física o fisisorción. Cuando las fuerzas son enlaces covalentes se aplica el término de adsorción química o quimisorción. La adsorción física está asociada con una entalpía de adsorción numéricamente inferior a -40 kJ mol-1, mientras que valores numéricamente mayores a -80 kJ mol-1 son característicos de la quimisorción. La entalpía de adsorción física es comparable a la entalpía de condensación, mientras que la entalpía de quimisorción es comparable a la entalpía de las reacciones químicas. La adsorción física es la más frecuente, mientras que la quimisorción se manifiesta, únicamente, cuando el adsorbente y el adsorbato tienden a formar un compuesto. En general, el proceso de adsorción física puede invertirse con facilidad; por el contrario, la quimisorción es difícil de revertir y generalmente tiene lugar con mayor lentitud que en el caso anterior. La capa adsorbida en la adsorción física puede variar en espesor, desde una molécula a muchas moléculas, debido a que las fuerzas de Van der Waals se pueden extender desde una capa de moléculas a otras. En cambio, la quimisorción no puede, por sí misma, dar lugar a una capa de más de una molécula de espesor, debido a la especificidad del enlace entre el adsorbente y el adsorbato. Sin embargo, cabe que capas subsiguientes de varias moléculas puedan estar físicamente adsorbidas sobre la primera capa. Algunas de las reacciones industriales más importantes comprenden la catálisis heterogénea - i .e., el uso de un catalizador presentado en una fase distinta a las especies reaccionantes, usualmente un catalizador sólido en contacto con una disolución gaseosa o líquida de los reactivos. Tal catálisis, superficial o heterogénea, se cree que se efectúa por adsorción química de los reactivos sobre la superficie del catalizador. Los catalizadores de superficie se emplean en los convertidores catalíticos de los automóviles para convertir substancias que pueden ser contaminantes
Jonathan Dominguez Grupo 7 Catedra de Biofísica
8
atmosféricos, por ejemplo CO y NO en substancias inocuas, por ejemplo CO2 y N2.
Jonathan Dominguez Grupo 7 Catedra de Biofísica
