UNIDAD 2
FENÓMENOS BIOFÍSICOS MOLECULARES
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.
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. Se le
define también como “la fuerza que una superficie ejerce sobre un contorno,
perpendicularmente a él, dirigida hacia el seno de la superficie y
tangencialmente a ella”.
La
tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a
la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las
gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la
flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos.
Presión Hidrostática
La
presión hidrostática es la presión o fuerza que el peso de un fluido en reposo
puede llegar a provocar. Se trata de la presión que experimenta un elemento por
el solo hecho de estar sumergido en un líquido.
El
fluido genera presión sobre el fondo, los laterales del recipiente y sobre la
superficie del objeto introducido en él. Dicha presión hidrostática, con el
fluido en estado de reposo, provoca una fuerza perpendicular a las paredes del
envase o a la superficie del objeto.
El
peso ejercido por el líquido sube a medida que se incrementa la profundidad. La
presión hidrostática es directamente proporcional al valor de la gravedad, la
densidad del líquido y la profundidad a la que se encuentra.
La adhesión es la propiedad de la materia por
la cual se unen dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando
entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.
La
adhesión ha jugado un papel muy importante en muchos aspectos de las técnicas
de construcción tradicionales. La adhesión del ladrillo con el mortero
(cemento) es un ejemplo claro.
La
cohesión es distinta de la adhesión. La cohesión es la fuerza de atracción
entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión
es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.
Cinco
mecanismos han sido propuestos para explicar por qué un material se adhiere a
otro.
Adhesión mecánica:
Los materiales adhesivos rellenan los huecos o poros de las superficies
manteniendo las superficies unidas por enclavamiento. Existen formas a gran
escala de costura, otras veces a media escala como el velcro.
Adhesión química:
Dos materiales pueden formar un compuesto al unirse. Las uniones más fuertes se
producen entre átomos donde hay permutación (enlace iónico) o se comparten
electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se produce cuando un átomo
de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve atraída por otra de
nitrógeno, oxígeno o flúor, en ese caso hablaríamos de un puente de hidrógeno.
Adhesión dispersiva:
En la adhesión dispersiva, dos materiales se mantienen unidos por las fuerzas
de Van der Waals: la atracción entre dos moléculas, cada una de las cuales
tiene regiones de carga positiva y negativa. En este caso, cada molécula tiene
una región de mayor carga positiva o negativa que se une a la siguiente de
carga contraria.
Adhesión electrostática:
Algunos materiales conductores dejan pasar electrones formando una diferencia de
potencial al unirse. Esto da como resultado una estructura similar a un
condensador y crea una fuerza electrostática atractiva entre materiales.
Adhesión difusiva:
Algunos materiales pueden unirse en la interfase por difusión. Esto puede
ocurrir cuando las moléculas de ambos materiales son móviles y solubles el uno
en el otro. Esto sería particularmente eficaz con las cadenas de polímero en
donde un extremo de la molécula se difunde en el otro material.
Cohesión
Es
la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una
sustancia. La cohesión es diferente de la adhesión; la cohesión es la fuerza de
atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que
la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.
En
el agua la fuerza de cohesión es elevada por causa de los puentes de hidrógeno
que mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura
compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder
comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático,
como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca
mediante la presión generada por sus líquidos internos.
La
cohesión se caracteriza así según el estado de las sustancias:
En
los sólidos, las fuerzas de cohesión son elevadas y en las tres direcciones
espaciales. Cuando aplicamos una fuerza solo permite pequeños desplazamientos
de las moléculas entre sí, cuando cesa la fuerza exterior, las fuerzas de
cohesión vuelven a colocar las moléculas en su posición inicial.
En
los líquidos, las fuerzas de cohesión son elevadas en dos direcciones
espaciales, y entre planos o capas de fluidos son muy débiles. Por otra parte
las fuerzas de adherencia con los sólidos son muy elevadas. Cuando aplicamos
una fuerza tangencial al líquido, este rompe sus débiles enlaces entre capas, y
las capas de líquido deslizan unas con otras. Cuando cesa la fuerza, las
fuerzas de cohesión no son lo suficiente fuertes como para volver a colocar las
moléculas en su posición inicial, queda deformado. La capa de fluido que se
encuentra justo en contacto con el sólido, se queda pegada a éste, y las capas
de fluido que se encuentran unas juntas a las otras deslizan entre sí.
En los gases, las fuerzas de
cohesión son despreciables, las moléculas se encuentran en constante
movimiento. Las fuerzas de adherencia con los sólidos y los líquidos son
importantes. Al aplicarse una fuerza de corte, se aumenta la velocidad media de
las moléculas. Como estas partículas con más velocidad media (más cantidad de
movimiento) se mueven en el espacio, algunas pasan a las capas contiguas
aumentando a su vez la velocidad media de esas capas adyacentes, estas a su vez
con una cantidad de movimiento más pequeña, algunas de sus partículas pasan a
la capa de mayor cantidad de movimiento (afectada por el esfuerzo de corte)
frenándola.
Acción Capilar
La acción capilar es el resultado
de la adhesión y la tensión superficial. La adhesión del agua a las paredes de
un recipiente, originará una fuerza hacia arriba sobre los bordes del líquido y
como resultado su ascenso sobre la pared. La tensión superficial, actúa para
mantener intacta la superficie del líquido, de modo que en vez de solo moverse
los bordes hacia arriba, toda la superficie entera del líquido es arrastrada
hacia arriba.
Capilaridad
Cuando
un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o
cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del
líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido
sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del
líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que
regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para
vencer la gravedad.
Sin embargo, cuando la cohesión
entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar,
como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda
a un nivel inferior y su superficie es convexa.
Difusión
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:
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. Los átomos (considerados como
una esfera maciza), se colocan en los huecos existentes en la red cristalina.
Difusión neta:
Diferencia de difusión entre las dos regiones de distinta concentración es lo
que se conoce como difusión neta.
Difusión simple:
Se denomina difusión simple al proceso por el cual se produce un flujo neto de
moléculas a través de una membrana permeable sin que exista un aporte externo
de energía.
Difusión facilitada:
La difusión facilitada utiliza canales (formados por proteínas de membrana)
para permitir que moléculas cargadas (que de otra manera no podrían atravesar
la membrana) difundan libremente hacia afuera y adentro de la célula.
Ósmosis
Es un fenómeno físico relacionado
con el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable. Tal
comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de
energía. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el
metabolismo celular de los seres vivos.
Diálisis
Separación
de las sustancias que están juntas o mezcladas en una misma disolución, a
través de una membrana que las filtra.
Adsorción
Es
un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a través de una
membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través
de la membrana, sin gasto de energía. La ósmosis del agua es un fenómeno
biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos.
Tipos
de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente
Adsorción por
intercambio: Ocurre cuando los iones de la sustancia
se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática
en los lugares cargados de la superficie (p. ej. en las cercanías de un
electrodo cargado).
Adsorción física:
Se debe a las fuerzas de Van der Waals y la molécula adsorbida no está fija en
un lugar específico de la superficie, y por ello está libre de trasladarse en
la interfase.
Adsorción química:
Ocurre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del
adsorbente.
Fenómenos Físicos y Químicos en los
seres vivos
Fenómenos Físicos:
Son transformaciones transitorias, donde las mismas sustancias se encuentran
antes y después del fenómeno, es decir, no hay alteración en su estructura
molecular. Es fácilmente reversible mediante otro fenómeno físico.
Ejemplos:
Cuando un clavo de acero se dobla, sigue siendo acero. Luego podemos
enderezarlo recobrando su forma original.
Si
calentamos una bola de hierro se dilata, si la enfriamos hasta su temperatura
inicial recupera su volumen original.
Condensación
del vapor de agua.
Fenómenos Químicos:
Las actividades de los seres vivos se realizan con energía química, que se
produce a partir de varios procesos distintos, según cada organismo:
fotosíntesis, quimiosíntesis, fermentación y respiración.
MATERIA
Materia
es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. La Química es la
ciencia que estudia su naturaleza, composición y transformación. Si la materia
tiene masa y ocupa un lugar en el espacio significa que es cuantificable, es
decir, que se puede medir.
Todo
cuanto podemos imaginar, desde un libro, un auto, la computadora y hasta la
silla en que nos sentamos y el agua que bebemos, o incluso algo intangible como
el aire que respiramos, está hecho de materia.
Los
planetas del Universo, los seres vivos como los insectos y los objetos
inanimados como las rocas, están también hechos de materia.
De acuerdo a estos ejemplos, en el mundo
natural existen distintos tipos de materia, la cual puede estar constituida por
dos o más materiales diferentes, tales como la leche, la madera, un trozo de
granito, el azúcar, etc. Si un trozo de granito se muele, se obtienen
diferentes tipos de materiales
La
cantidad de materia de un cuerpo viene dada por su masa, la cual se mide normalmente
en kilogramos (en química, a menudo se mide en gramos). La masa representa una
medida de la resistencia que opone un cuerpo cuando se halla sometido a una
fuerza. Esta fuerza puede derivarse del campo gravitatorio terrestre, y en este
caso se denomina peso.
Y…
¿que forma la materia? :” Los átomos”, tomemos por ejemplo una pared, está
formada por bloques, los bloques están formados por arena, cemento y piedras
pequeñas. si nos fijamos en un granito de arena, éste se compone de otras
partículas minúsculas llamadas moléculas que están formadas por grupos de
atomos.
La
fuerza entre los átomos es la razón por la cual el agua cambia de estado. Si la
fuerza entre sus átomos es grande, el agua es sólida como el hielo. Si la
fuerza entre sus átomos es débil, el agua se convierte en vapor.
Leyes de la termodinámica
La
termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el
interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de
calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro. A las magnitudes
macroscópicas que se relacionan con el estado interno de un sistema se les
llama coordenadas termodinámicas; éstas nos van a ayudar a determinar la
energía interna del sistema. En resumen, el fin último de la termodinámica es
encontrar entre las coordenadas termodinámicas relaciones generales coherentes
con los principios básicos de la física
La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La Ley
“cero”, referente al concepto de temperatura, la Primera Ley de la
termodinámica, que nos habla del principio de conservación de la energía, la
Segunda Ley de la termodinámica, que nos define a la entropía.
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