UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica BIOFÍSICA Concepto: La biofísica es la ciencia que estudia la biología con los principios y métodos de la física. 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 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. La biofísica es una ciencia molecular e intenta explicar las funciones biológicas en términos de estructuras moleculares y de las propiedades de moléculas específicas. El tamaño de estas moléculas varía dramáticamente, desde pequeños ácidos grasos y azúcares (~1nm = 10-9m), hasta moléculas como proteínas (5-10nm), almidones (>1000nm) y las enormemente alargadas moléculas de ADN (cuya longitud es mayor que 10 000 000nm = 1cm, pero cuyo ancho es de sólo 20nm, ¡proporciones semejantes a las de un resorte de 72 kilómetros de longitud!). Estas moléculas son las unidades con las que se construyen los organismos vivos y se ensamblan para formar las células, los tejidos y organismos enteros; así, forman estructuras complejas de dimensiones del orden de 10, 100, 1000, 10,000 nm e incluso más grandes. Por ejemplo, las proteínas de la leche se ensamblan para formar micelas de caseína, las cuales a su vez se agregan para formar el suero del queso; proteínas y ácidos ribonucleicos se ensamblan para formar los ribosomas, los organelos que fabrican proteínas en el interior de las células; lípidos y proteínas se ensamblan para formar las membranas celulares, que constituyen las barreras externas y las superficies internas de las células; proteínas y ADN se enrollan para formar cromosomas, los portadores del código genético; y así sucesivamente. Por estas razones, muchos esfuerzos en biofísica se dirigen a determinar la estructura de moléculas biológicas específicas, así como la de los agregados más grandes que ellas forman. Parte de estos esfuerzos requieren inventar nuevos métodos o construir nuevos instrumentos para visualizar estas estructuras. Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica ÁREAS DE LA BIOFÍSICA Biomecánica Glóbulos rojos. La biomecánica es una disciplina científica que tiene por objeto el estudio de las estructuras de carácter mecánico que existen en los seres vivos, fundamentalmente del cuerpo humano. Esta área de conocimiento se apoya en diversas ciencias biomédicas, utilizando los conocimientos de la mecánica, la ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, para estudiar el comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a las que puede verse sometido. La biomecánica está íntimamente ligada a la biónica y usa algunos de sus principios, ha tenido un gran desarrollo en relación con las aplicaciones de la ingeniería a la medicina, la bioquímica y el medio ambiente, tanto a través de modelos matemáticos para el conocimiento de los sistemas biológicos como en lo que respecta a la realización de partes u órganos del cuerpo humano y también en la utilización de nuevos métodos diagnósticos. Una gran variedad de aplicaciones incorporadas a la práctica médica; desde la clásica pata de palo, a las sofisticadas ortopédias con mando mioeléctrico y de las válvulas cardiacas a los modernos marcapasos existe toda una tradición e implantación de prótesis. Hoy en día es posible aplicar con éxito, en los procesos que intervienen en la regulación de los sistemas modelos matemáticos que permiten simular fenómenos muy complejos en potentes ordenadores, con el control de un gran número de parámetros o con la repetición de su comportamiento. Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica Historia y desarrollo de la biomecánica Circulación sanguínea Históricamente uno de los primeros problemas abordados por el enfoque biomecánico moderno, resultó de intento de aplicar las ecuaciones de Navier-Stokes a la comprensión del riego sanguíneo. Aunque usualmente se considera a la sangre como un fluido newtoniano incompresible, esta modelización falla cuando se considera el flujo sanguíneo en las arteriolas o capilares. A la escala de esas conducciones, los efectos del tamaño finito de las células sanguíneas o eritrocitos individuales son significativos, y la sangre no puede ser modelada como un medio continuo. Más concretamente, cuando el diámetro del vaso sanguíneo es ligeramente mayor que el diámetro del erotrocito, entonces aparece el efecto Fahraeus– Lindquist y existe una disminución en la tensión tangente al vaso. Así a medida que el diámetro del vaso sanguíneo disminuye, los glóbulos rojos tienen que aplastarse a lo largo del vaso y frecuentemente sólo pueden pasar de uno en uno. En este caso, se da un efecto Fahraeus–Lindquist inverso y la tensión tangencial del vaso se incrementa. Huesos Otro desarrollo importante de la biomecánica fue la búsqueda de ecuaciones constitutivas que modelaran adecuadamente las propiedades mecánicas de los huesos. Mecánicamente los huesos son estructuras mecánicas anisótropas, más exactamente tienen propiedades diferentes en las direcciones longitudinales y transversales. Aunque sí son transversalmente isótropos, no son globalmente isótropos. Las relaciones de tensióndeformación en los huesos pueden ser modeladas usando una generalización de la ley de Hooke, para materiales ortotrópicos: módulos de Young en dirección longitudinal y transversal. coeficientes de Poisson. módulo de elasticidad transversal. Subdisciplinas La Biomecánica está presente en diversos ámbitos, aunque tres de ellos son los más destacados en la actualidad: La biomecánica médica, evalúa las patologías que aquejan al hombre para generar soluciones capaces de evaluarlas, repararlas o paliarlas. Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica La biomecánica deportiva, analiza la práctica deportiva para mejorar su rendimiento, desarrollar técnicas de entrenamiento y diseñar complementos, materiales y equipamiento de altas prestaciones. El objetivo general de la investigación biomecánica deportiva es desarrollar una comprensión detallada de los deportes mecánicos específicos y sus variables de desempeño para mejorar el rendimiento y reducir la incidencia de lesiones. Esto se traduce en la investigación de las técnicas específicas del deporte, diseñar mejor el equipo deportivo, vestuario, y de identificar las prácticas que predisponen a una lesión. Dada la creciente complejidad de la formación y el desempeño en todos los niveles del deporte de competencia, no es de extrañar que los atletas y entrenadores estén recurriendo en la literatura de investigación sobre la biomecánica aspectos de su deporte para una ventaja competitiva. La biomecánica ocupacional, estudia la interacción del cuerpo humano con los elementos con que se relaciona en diversos ámbitos (en el trabajo, en casa, en la conducción de automóviles, en el manejo de herramientas, etc) para adaptarlos a sus necesidades y capacidades. En este ámbito se relaciona con otra disciplina como es la ergonomía. Últimamente se ha hecho popular y se ha adoptado la Biomecánica ocupacional que proporciona las bases y las herramientas para reunir y evaluar los procesos biomecánicas en lo que se refiera a la actual evolución de las industrias, con énfasis en la mejora de la eficiencia general de trabajo y la prevención de lesiones relacionadas con el trabajo, esta está íntimamente relacionada con la ingeniería médica y de información de diversas fuentes y ofrece un tratamiento coherente de los principios que subyacen a la biomecánica bien diseñado y ergonomía de trabajo que es ciencia que se encarga de adaptar el cuerpo humano a las tareas y las herramientas de trabajo. Biomecánica computacional La biomecánica computacional se refiere a la simulación mediante ordenadores de sistemas biomecánicos complejos. Usualmente se usan tanto modelos de sólidos para simular comportamientos cinemáticos, como modelos de elementos finitos para simular propiedades de deformación y resistencia de los tejidos y elementos biológicos. El tipo de análisis requerido en general es en régimen de grandes deformaciones, por lo que en general los modelos materiales usan relaciones no-lineales entre tensiones y deformaciones. Los tejidos blandos presentan comportamientos viscoelásticos: gran capacidad disipación de energía, histéresis, relajación de tensiones, precondicionado y "creep". Por lo que generalmente las ecuaciones constitutivas adecuadas para modelarlos son de tipo Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica viscoelástico e involucran tanto a tensiones y deformaciones, como a velocidades de deformación. Algunos tejidos blandos incluso pueden ser precondicionados sometiéndolos a cargas cíclicas, hasta el punto que las curvas de tensión-deformación para los tramos de carga y descarga puedan llegar a prácticamente solaparse. El modelo más comúnmente usado para modelar la viscoelasticidad de los tejidos blandos es la teoría de la viscoelasticidad cuasilineal (QLV). Tecnología biomecánica La tecnología biomecánica se refiere tanto a dispositivos artificiales fabricados a partir de los resultados encontrados a partir de la investigación biomecánica, como a los instrumentos y técnicas usados en la investigación y adquisición de nuevos conocimientos en en el ámbito de la biomecánica. Órganos artificiales Son dispositivos y tejidos creados para sustituir partes dañadas del organismo. El análisis de un órgano artificial, debe considerarse en la construcción de estos aspectos tales como materiales que requieren unas particulares características para poder ser implantados e incorporados al organismo vivo. Además de las características físicas y químicas de resistencia mecánica, se necesita fiabilidad, duración y compatibilidad en un ambiente biológico que siempre tiene una elevada agresividad. “El mayor problema que se plantea la construcción de una prótesis se refiere a la relación entre el biomaterial y el tejido vital en el que se inserta ya que es muy importante el control de las reacciones químicas de superficie y microestructura, el tejido crece y tiende a incorporar incluso a nivel de los poros de la rugosidad superficial, el material implantado. Prótesis La sustitución de órganos por otros artificiales, constituye la frontera avanzada de la ingeniería biónica. Dejando aparte las prótesis ortopédicas cuyo empleo ha tenido un enorme desarrollo gracias a la aplicación de nuevos materiales y técnicas de cálculo, así como a los avances en las técnicas de implantación por lo que cada día es más amplia la gama de posibilidades de sustitución de órganos conocidos y menos conocido, lo cual resulta de gran ayuda para pacientes y médicos un ejemplo de esto es la fabricación de bombas de insulina para emplear en personas diabéticas. Estudia las propiedades mecánicas, cinéticas y cinemáticas de los organismos, tomando en cuenta sus características morfo-funcionales. Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica Sensores Para intervenir sobre cualquier órgano, se requiere el control y la medición continua de la intensidad del fenómeno. Los sensores que constituyen el primer elemento del sistema, son dispositivos que permiten detectar los fenómenos físicos y químicos, ofreciendo seriales de salida proporcionales a la intensidad de las entradas. Las señales de entrada de muy diversos tipos y convertidas en la mayoría de los casos en magnitudes eléctricas (ejemplo, variaciones de presión y variaciones de resistencia eléctrica) corresponden a variaciones de temperatura, de deformación muscular en los esfuerzos, de presión venosa o arterial, etc. Los sensores pueden ser electrodos directos capaces de captar las señales procedentes de actividades celulares, o pueden consistir en detectores de concentraciones de sustancias químicas. Estimuladores Los estimuladores artificiales son utilizados para activar ciertos órganos o funciones que, aun estando sanos no funcionan como es debido a causa de lesiones del sistema nervioso central; según Claude Ville: “Una función extremadamente delicada ,es la que se lleva a cabo para estimular el músculo cardiaco a través de un aparato marca pasos, que permite regular los latidos cardiacos al proporcionar desde el exterior impulsos de corriente y que resulta vital en algunos casos de arritmias cardiacas.” El marca pasos consta de una batería, un generador y un modulador de impulsos eléctricos y un electrodo que transmite los impulsos al tejido cardiaco. Existen muy diversos tipos de marca pasos (en la actualidad se cuenta con más de 200 tipos diferentes) Los impulsos eléctricos generados por el aparato pueden ser se frecuencia fija, es decir producidos a una frecuencia predeterminada, sin ninguna relación con la actividad del corazón, pero en la actualidad se emplean mas los marcapasos a demanda, o sea, mediante impulsos desencadenados cuando el propio aparato reconoce un fallo en el ritmo cardiaco normal. Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica Bioacústica La bioacústica es una ciencia interdisciplinaria que estudia la audición de algunos animales. Se basa en el análisis de emisiones de ruidos, su propagación a través de distintos medios y la recepción por los seres vivos, incluyendo humanos. Mecánica molecular La Mecánica molecular es una parte del modelado molecular, ya que implica el uso de mecánica clásica/mecánica newtoniana para describir las bases físicas tras los modelos. Los modelos moleculares describen normalmente átomos (núcleos y electrones en conjunto) como cargas puntuales con una masa asociada. Las interacciones entre los átomos vecinos son descritas por interacciones tipo oscilador armónico, "resortes", que (representando enlaces químicos) y Fuerzas de Van Der Waals. El Potencial de Lennard-Jones es mayormente usado para describir las Fuerzas de Van Der Waals. Las interacciones electrostáticas son calculadas por la Ley de Coulomb. A los átomos se les asignan coordenadas en el espacio cartesiano o en Coordenadas internas, y también se les pueden asignar velocidades al realizar simulaciones dinámicas. Las velocidades atómicas están relacionadas a la temperatura del sistema, una cantidad macroscópica. La expresión matemática completa se conoce como una Función potencial y está relacionada a la energía interna del sistema (U - Entropía), una cantidad termodinámica igual a la suma de las energías potencial y cinética. Los métodos que minimizan la energía potencial, son conocidos como técnicas de disminución energética (como, steepest descent y Gradiente conjugado), mientras que los métodos que recrean el comportamiento del sistema con el correr del tiempo son conocidos como Dinámica molecular. E = Ebonds + Eangle + Edihedral + Enon − bonded Enon − bonded = Eelectrostatic + EvanderWaals Esta función, llamada Función potencial, calcula la energía potencial molecular como una suma de cantidades de energía que describen la desviación del largo de los enlaces, los ángulos de enlace y los ángulos de torsión fuera de los valores de equilibrio, más cantidades para los pares de átomos no enlazados, ayudando a describir las interacciones de Van Der Waals y las electrostáticas. El conjunto de parámetros que incluye las distancias de enlace equilibradas, los ángulos de enlace, valores de carga parciales, constantes de fuerza y parámetros de Van Der Waals; son conocidos de manera conjunta como un campo de Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica fuerza. Distintas aplicaciones de la mecánica molecular usa expresiones matemáticas que difieren ligeramente y, por ende, distintas constantes para la Función potencial. Los campos de fuerza de uso corriente en la actualidad han sido desarrollados usando cálculos cuánticos de alto nivel y/o ajustándose a los valores experimentales. La técnica conocida como Disminución Energética es usada para encontrar posiciones de "gradiente cero" para todos los átomos; en otras palabras, un mínimo local de energía. Estados de menor energía son más estables y son comunmente investigados por su función en los procesos químicos y biológicos. Una simulación de Dinámica molecular, por otro lado, calcula el comportamiento de un sistema en función del tiempo. Esto implica resolver las leyes de Newton de movimiento, principalmente la segunda ley, F = ma. La Integración de las leyes de Newton del movimiento, usando diferentes algoritmos de integración, conduce las trayectorias atómicas en el espacio y el tiempo. La fuerza de un átomo es definida como el gradiente negativo de la función potencial de energía. La técnica de disminución de energía es útil para obtener una imagen estática para comparar entre los estados de sistemas similares, mientras que la dinámica molecular provee información sobre los procesos dinámicos con el agregado intrínseco de los efectos de la temperatura. Variables Las moléculas pueden ser modeladas al vacio o en presencia de un solvente como el agua. Las simulaciones de los sistemas al vacio son conocidas como simulaciones de fase gaseosa, mientras que aquellas que incluyen la presencia de moléculas de solvente son conocidas como simulaciones con solvente explícito. En otro tipo de simulaciones, el efecto del solvente es estimado usando un expresión matemática empírica; estas son conocidas como simulaciones de solvatación implícita. Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica División celular Comparación de tres tipos de reproducción celular. La división celular es una parte muy importante del ciclo celular en la que una célula inicial (llamada "madre") se divide para formar células hijas. Gracias a la división celular se produce el crecimiento de los organismos pluricelulares con el crecimiento de los Tejidos (biología) y la reproducción vegetativa en seres unicelulares. Los seres pluricelulares reemplazan su dotación celular gracias a la división celular y suele estar asociada con la diferenciación celular. En algunos animales la división celular se detiene en algún momento y las células acaban envejeciendo. Las células senescentes se deterioran y mueren debido al envejecimiento del cuerpo. Las células dejan de dividirse porque los telómeros se vuelven cada vez más cortos en cada división y no pueden proteger a los cromosomas como tal. Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica BIOPHYSICAL CHRONOLOGY Since the history of physics has been largely ignored in the text, we present the following chronology of biological, chemical and physical developments which are relevent to the material we have covered. Most entries reflect the first discovery or correct understanding of a phenomenon or principle. Islamic science flourished during the period from 800 to 1300 AD (or CE, "Common Era"), and there are many instances where a discovery was made by an Islamic scholar, which was then "rediscovered" by a "western" scholar some years (or centuries!) later. While a number of Islamic scholars are mentioned below in conjunction with material of interest to us, much more information is available at Muslim Scientists and Scholars and Muslim Scientists and Islamic Civilization. Note that the names of Islamic scholars were often Latinized in later references in western science; these names are found in parentheses below. Many of the dates are approximate (interpolated from dates of birth and death). 4xxx BC --- Egyptians astronomically measure time 7xx BC --- India's use of anatomical models begins ----------- Babylonians and Chinese understand planetary orbits 5xx BC --- Alcmaeon (Greece) differentiates arteries from veins 585 BC --- Thales studies static electricity and magnetism 440 BC --- Democritus theorizes about atoms 35x BC --- Aristotle reasons that the Earth is spherical 240 BC --- Erastothenes computes the diameter of the Earth, suggests it orbits the sun 800 CE --- Jabir Ibn Haiyan (Geber) develops experimental techniques in chemistry 820 --- Mohammad Ibn Musa al-Khawarizmi develops algebra 850 --- Yaqub Ibn Ishaq Al-kindi (Alkindus) relates musical harmony to the frequencies of the notes involved 880 --- Thabit Ibn Qurrah (Thebit) develops static equilibrium 900 --- Abu Abdullah Al-Battani (Albategnius) develops trigonometric ratios 980 --- Abu Al-Qasim Al-Zahravi (Abucasis) systematizes surgical techniques (including dissection) 1020 --- Abu Ali Al-Hussain Ibn Abdallah Ibn Sina (Avicenna) describes the anatomy of the eye and of heart valves 1025 --- Abu Ali Hasan Ibn Al-Haitham (Alhazen) begins science of optics ----------- also anticipates Newton's First Law of Motion (force is required to change velocity) 1100 --- Omar Al-Khayyam develops the binomial expansion 1240 --- Ibn Al-Nafis Damishqui describes the circulatory system ** 1249 AD --- Bacon mentions lenses for improving vision 1275 --- Earliest recorded human dissection by William of Saliceto 1451 --- Nicholas of Cusa invents concave lenses 1490 --- da Vinci observes capillary action 1512 --- Copernicus understands that the planets orbit the sun 1540 --- Servetus discovers pulmonary circulation of blood ** 1568 --- Varolio studies the anatomy of the human brain Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica 1583 --- Stevin understands hydrostatic pressure 1585 --- Stevin formulates law of equilibrium 1590 --- Galileo describes his experiments with gravity ----------- Janssen invents the microscope 1596 --- Galileo invents the thermometer 1600 --- Gilbert writes his treatise on electricity and magnetism 1603 --- Fabrici discovers valves in veins 1604 --- Kepler writes his treatise on optics 1608 --- Lippersley invents the telescope 1609 --- Kepler understands planetary motion quantitatively 1610 --- Beguin writes the first textbook on chemistry 1611 --- de Dominis explains the rainbow 1614 --- Santorio studies metabolism 1619 --- Harvey discovers circulation of blood ** 1621 --- Snel discovers the law of refraction 1622 --- Oughtred invents the slide rule 1643 --- Torricelli creates first artificial vacuum 1648 --- Pascal understands fluid pressure 1658 --- Swammerdam observes red blood cells 1660 --- Malpighi discovers capillaries 1661 --- Boyle defines chemical elements 1663 --- Steno teaches that the heart is a muscle ** 1665 --- Grimaldi explains diffraction --------- Hooke describes cells ** --------- Newton experiments with gravity, spectrum of light, invents differential calculus 1668 --- Wallis suggests momentum conservation ** 1674 --- Mayow describes nature of combustion 1675 --- Leibnitz invents integral calculus ----------- Romer discovers finite velocity of light 1678 --- Huygens discovers polarization of light 1680 --- Borelli describes mechanical nature of skeletomuscular system ** 1687 --- Newton understands force and gravity quantitatively 1690 --- Huygens publishes his (wave) theory of light 1704 --- Newton defends emission theory of light 1714 --- Fahrenheit develops temperature scale 1726 --- Hales measures blood pressure ** 1729 --- Gray differentiates between conductors and nonconductors ** 1738 --- Bernoulli understands pressure and velocity of fluids 1742 --- Celsius develops temperature scale 1745 --- von Kleist invents the capacitor 1748 --- Nollet discovers osmosis 1752 --- Franklin's experiments with electricity 1758 --- Marggraf invents chemical flame tests 1760 --- Black introduces heat capacity ----------- Lagrange formulates principle of least action 1762 --- Black introduces latent heat 1766 --- Cavendish discovers hydrogen less dense than air 1771 --- Galvani discovers electrical nature of nerve impulses ** 1775 --- Watt perfects the steam engine 1777 --- Coulomb invents torsion balance (measuring charge) Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica ----------- Lavoisier discovers air is mostly O and N 1779 --- Priestley discovers photosynthesis ** 1784 --- Atwood accurately measures g 1786 --- Kalproth discovers uranium 1789 --- Lavoisier suggests conservation of mass 1790 --- France introduces the metric system 1800 --- Herschel discovers infrared rays ** ----------- Volta constructs the first battery 1801 --- Ritter discovers ultraviolet radiation ** ----------- Young performs the 2 slit experiment 1802 --- Dalton introduces atomic theory into chemistry 1807 --- Fourier invents his analysis 1811 --- Avogadro hypothesizes that gases are made up of molecules ** 1812 --- Kirchoff discovers catalysis 1814 --- Fraunhofer discovers spectral lines 1818 --- Fresnel theorizes that light is a transverse wave ** 1819 --- Oersted discovers electromagnetism 1821 --- Faraday proposes flux line picture for electricity and magnetism 1824 --- Carnot publishes his work on thermodynamics 1827 --- Brown discovers "Brownian Motion" ----------- Ohm formulates his law 1830 --- Brown discovers cell nucleii in plants 1831 --- Graham measures diffusion constants 1834 --- Babbage invents the principle of the programmable computer 1843 --- Joule determines machanical equivalent of heat 1847 --- Helmholtz publishes about the conservation of energy ** 1848 --- Thomson (Lord Kelvin) theorizes absolute zero 1849 --- Fizeau measures the speed of light 1850 --- Clausius formulates the entropy law ----------- von Helmholtz measures the speed of nerve impulses 1851 --- Thomson (Lord Kelvin) understands conservation and dissipation of energy 1852 --- Frankland discovers valence 1856 --- von Helmholtz understands physiological optics ** 1859 --- Bunsen and Kirchoff begin spectrum experiments ----------- Maxwell formulates his kinetic theory of gases 1860 --- Kirchoff theory of black body radiation 1862 --- Angstrom discovers H in the sun ----------- Helmholtz publishes about sound and hearing 1865 --- Loschmidt calculates Avogadro's number ----------- Maxwell theorizes that light and electromagnetism have the same source 1866 --- Secchi defines stellar spectral classes 1869 --- Mendeleyev formulates the periodic table of the elements 1873 --- van der Waals understands intermolecular forces ** 1878 --- Kuhne coins term enzyme 1879 --- Stefan understands thermal radiation 1883 --- Reynolds defines his number ----------- Thomson (Lord Kelvin) publishes about the size of atoms 1887 --- Hertz observes the photoelectric effect 1888 --- Hertz and Lodge independently prove that light and radio are the same phenomena 1891 --- Eotvos shows equality of gravitational and inertial mass Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA 1895 --- Lorentz discovers his force ----------- Rontgen discovers x-rays ** 1896 --- Becquerel discovers radioactivity ** 1897 --- Braun invents the oscilloscope ----------- Rutherford discovers alpha and beta rays ** ----------- Thomson discovers the electron 1898 --- Benda discovers mitochondria ** 1900 --- Planck formulates quantum theory ----------- Richardson discovers electron emission ----------- Villard discovers gamma rays ** 1901 --- Curie measures heat equivalent of radioactivity 1903 --- Einthoven invents the EKG 1905 --- Einstein formulates photon theory of light and Special Theory of Relativity ----------- Hertzsprung relates stellar luminosity to spectra 1906 --- Nernst understands absolute zero 1907 --- Boltwood invents radioactive dating 1908 --- Perrin calculates the size of an atom 1911 --- Milliken measures e/m ----------- Rutherford's scattering experiments lead to his theory of atomic structure 1912 --- Laue discovers x-ray diffraction ** 1913 --- Bohr Theory of the atom ----------- Russel develops theory of stellar evolution 1914 --- Adams discovers white dwarf stars ----------- Hertzsprung identifies main sequence stars ----------- Rutherford suggests that H nucleus is fundamental "proton" 1915 --- Einstein formulates the General Theory of Relativity 1916 --- Schwarzschild theorizes black holes 1919 --- Aston builds mass spectrograph and discovers isotopes ----------- Rutherford discovers nuclear reactions 1921 --- Stern and Gerlach discover spin 1923 --- Compton identifies his wavelength ----------- Svedberg invents the ultracentrifuge 1924 --- de Broglie publishes his wave theory of matter 1925 --- Pauli introduces the exclusion principle 1926 --- Fermi links spin with statistics 1927 --- Thomson observes electron diffraction 1928 --- Hartree develops his approximation ----------- London and Heitler apply quantum mechanics to chemical bonds 1930 --- Dirac theorizes antimatter 1931 --- Fermi theorizes the neutrino 1932 --- Anderson discovers the positron ----------- Chadwick discovers the neutron ----------- Ruska builds first electron microscope 1934 --- Fermi theorizes weak interactions ----------- Zwicky theorizes neutron stars 1935 --- Yukawa theorizes strong interactions 1937 --- Rabi does first NMR experiments ----------- Tiselius invents electrophoresis ** 1938 --- Bethe understands solar fusion ----------- Krebs dscovers the TCA cycle Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY Biofísica UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica 1939 --- Hahn and Strassman observe fission 1940 --- McMillan and Abelson manufacture first artificial element 1941 --- Lipmann understands high energy phosphates (ie., ATP) 1946 --- Bloch and Purcell make NMR practical as an observational instrument ** ----------- First electronic computer built at Pennsylvania University 1947 --- Libby does first carbon-14 dating 1948 --- Feynman develops QED (with Schwinger and Tomonaga) 1951 --- Hodgkin and Huxley and Katz work on transmission of nerve impulses ** 1952 --- First use of isotopes in medicine ** ----------- First artificial fusion reaction (U.S. Hydrogen bomb at Eniwetok Atoll) ----------- Franklin studies DNA with x-ray diffraction ** ----------- Sanger understands (first) protein structure ** 1953 --- Watson and Crick discover stucture of DNA ** 1956 --- Lee and Yang understand parity violation ----------- Neutrino discovered at Los Alamos 1957 --- Calvin discovers his cycle ----------- Esaki discovers tunneling in diodes 1960 --- First laser constructed by Maiman 1961 --- Gell-man and Ne'emen theorize quarks 1964 --- Fitch and Cronin do experiments leading to CPT theorem 1968 --- Development of Electroweak Model by Glashow, Salam and Weinberg 1972 --- Gell-man theorizes QCD (Quantum ChromoDynamics, about strong force) 1973 --- Gross, Politzer and Wilczek theorize asymptotic freedom 1974 --- First experimental evidence of quarks 1980 --- First Personal Computers 1983 --- W & Z bosons first observed 1988 --- First release of Mathematica 1994 --- Hubble Space Telescope confirms existance of black holes 1995 --- Top quark discovered EL CALOR UNA FORMA DE ENERGÍA Cuando una piedra de masa m cae libremente, su altura z y su velocidad v cambian conjuntamente, de manera que E mgz (1/ 2)mv2 permanece constante, donde g es la aceleración de la gravedad en la superficie de la tierra. El primer término de E : mgz es llamado energía potencial de la piedra y el segundo término (E: 1/2mv2) es llamada energía cinética. Cuando llega al suelo z=0, su energía cinética es diferente de cero, de manera que también E. Un instante después, la piedra yace en reposo en el barro y su energía mecánica total es cero. Aparentemente la energía mecánica no se conserva en presencia de barro. Newton estriba en parte en haber observado que las leyes de movimiento se pueden comprender mejor, donde complicaciones como los efectos de la fricción son apenas apreciables. La fricción convierte energía mecánica en energía térmica. Cuando ésta se toma adecuadamente en consideraciones, la energía se conserva. Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica En la siguiente gráfica cada flecha representa un proceso de conversión de energía. Batería Carga Electricidad Célula solar Turbina Nubes Lluvia Evaporación Coche eléctrico Río Luz solar Coche a gasolina Diferencia de temperaturas Fuego Fotosíntesis Biomasa Comida Calor producido = (Energía mecánica suministrada) x (0.24cal/J) Calor: calorías. Calor: Joules Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY Paseo UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica COMO LA VIDA GENERA ORDEN Cuando dejamos caer una gota de tinta en un vaso con agua, la tinta se va mezclando, en un proceso no veremos en cambio que una mezcla de tinta y agua se separe espontáneamente. a) Energía solar incidente de alta calidad. Tierra La tierra radia calor, energía de baja calidad. + Vida Luz solar b) Plantas: Luz Calor disipado, 02 H20 C02 … Azúcares, grasas, tejidos vegetales,.... c) Animales: Azúcares, Calor disipado, C02, H20 grasas, 02 Tejidos animales, novena sinfonía. (a) Balance energético de la biosfera terrestre. La mayor parte de la energía incidente de alta calidad es degradada a energía térmica y radiada al espacio, pero una parte es capturada y utilizada para producir el orden que observamos en los seres vivos. (b) Lo que las plantas hacen con la energía: la energía solar de alta calidad es utilizada en parte para convertir moléculas de baja energía en moléculas de alta energía y para producir las estructuras ordenadas que éstas forman: el resto es liberado en forma de calor. (c) Lo que los animales hacen con la energía: la energía de alta calidad de las moléculas de los alimentos es utilizada en parte para realizar trabajo mecánico y producir estructuras ordenadas; el resto es liberado en forma de calor. Referencia bibliográfica - http://biofisica.blogspot.com/ Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica SISTEMAS DE UNIDADES Para el desarrollo del curso utilizaremos prioritariamente el Sistema Internacional de medidas; pero cuando sea conveniente también se utilizará otras unidades más apropiadas o tradicionales. Unidades básicas en el S.I. Longitud: el metro (m). Se define como la longitud recorrida por la luz en el vacío durante un tiempo igual a (1/299 792 458)s. Tiempo: el segundo (s). Se define como la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de Ce 133. Masa: el kilogramo (kg). Se define como la masa de un objeto particular, denominado el patrón internacional del kilogramo. Intensidad eléctrica: el amperio (A). Se define como la intensidad de corriente continua que, al circular por dos cables paralelos rectilíneos de longitud infinita separados 1m en el vacío, produciría entre ambos una fuerza magnética de 2x107N por cada metro de longitud. Temperatura termodinámica: el Kelvin (ºK). Se define como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua contada desde el cero absoluto. Prefijos: giga (G) = 109 mega (M) = 106 kilo (K) = 103 deci (d) = 10-1 centi (c) = 10-2 mili (m) = 10-3 micro () = 10-6 nano () = 10-9 pico (p) = 10-12 fento (f) = 10-15 Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica Unidades derivadas en el S.I. Volumen: un litro (L) vale 10-3 m3. Fuerza: un Newton (N) vale 1 kg.m/s2. Energía: un Joule (J) vale 1 Nm= 1 kgm2/s2. Potencia: un watt (W) vale 1 J/s = 1 kg.m2/s3. Presión: un Pascal (Pa) vale 1 N/m2 Carga: un Coulomb (C) vale 1 As Potencial electrostático: un voltio (V) vale 1 J/sA = 1 m2kg/s3A. sus formas derivadas se indican como mV, por ejemplo. Capacidad: un faradio (F) vale 1 C/V. Resistencia: un ohm () vale 1Js.C-1 = 1 V.A-1 Conductancia: un siemens (S) vale 1 -1 = 1 A/V Unidades tradicionales: Longitud: un Ángstrom (Å) vale 0.1mm Energía: una caloría (cal) vale 4.184 J. Así, 1 kcal/mol = 0.043eV = 7x10-21J = 4.2kJ/mol. Un electronvoltio (eV) vale eX (1V) = 1.60x10-19J = 96.5kJ/mol. Un ergio (erg) vale 10-7J. Presión: una atmósfera (atm) vale 1.01x105Pa. 752 mmHg valen 105 Pa. Viscosidad: un Poise (P) vale 1erg.s.cm-3 = 0.1 Pa.s Densidad volumétrica: una disolución 1M tiene una densidad numérica de 1molL-1=100mol.m-3. Valores (tamaños de menor a mayor) Átomo de hidrogeno (radio) : 0.05nm Molécula de agua (radio) : 0.135nm Longitud de enlace covalente 0.1nm Azúcar, aminoácido, nucleótido (diámetro) : 0.5 – 1 nm Puente de hidrógeno (distancia entre los centros de átomos contíguos al H): 0.27nm. Longitud de apantallamiento de Debye (de la solución fisiológica de Ringer): D0.7nm ADN (diámetro): 2nm Proteína globular (diámetro): 2 – 10 nm (lisozima: 4nm), ARN polimerasa: 10nm) Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Membrana bicapa (grosor) 3nm Actina –F (diámetro): 5nm Nucleosoma (diámetro): 10nm Virus de la polio (diámetro): 25nm, (el virus más pequeño: 20nm) Microtubo (diámetro): 25nm Ribosoma: (diámetro): 30nm Flagelo de célula eucariótica (diámetro): 100 – 500nm Transistor en electrónica de consumo (diámetro) 180nm Axón de vertebrado (diámetro): 0.2nm 2.0m Longitud de onda de la luz visible: 400 – 650 nm Menor detalle que se puede producir mediante fotolitografía: 0.5 m Bacteria típica (diámetro): 1m (la más pequeña: 0.5m) Flagelo de E. coli (longitud): 10m Célula humana típica (diámetro) 10m (glóbulos rojos 7.5m) DNA de virus fago lambda (longitud de contorno) 16.5m Pelo humano (diámetro): 10m Resolución del ojo: 200m Axón gigante de calamar (diámetro): 1mm Genoma de E. coli (extensión total): 1.4mm Genoma humano (longitud total) 1m Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY Biofísica UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA Biofísica MOVIMIENTO Y LEYES DE NEWTON El objeto principal es describir y explicar el movimiento de los cuerpos. Los cuerpos se mueven recorriendo trayectorias rectas o curvas dando lugar a los movimientos rectilíneos o curvilíneos. I. MOVIMIENTO RECTILÍNEO Es aquel cuya trayectoria del móvil es una línea recta y puede ser uniforme o variado. 1.1. Movimiento Rectilíneo Uniforme La trayectoria es una línea recta y la velocidad es constante. La ecuación de movimiento es: x x0 vt de donde 2.2. v x t Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado La trayectoria es una línea recta y la velocidad aumenta o disminuye cantidades iguales en tiempos iguales. Las ecuaciones de movimiento son: v v0 at v 2 v02 2ax x v0 1 2 at 2 Usándose el signo (+) para el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado y el signo (-) para el movimiento rectilíneo uniformemente desacelerado. CAIDA LIBRE Un cuerpo en caída libre es aquel que está sometido a la aceleración de la gravedad. Las ecuaciones de movimiento se obtienen reemplazando en las ecuaciones anteriores “a” por “g” y “x” por “h”: v v0 gt v 2 v02 2.g.h h v 0 .t Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY 1 2 gt 2 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA II. Biofísica MOVIMIENTO CIRCULAR Es aquel cuya trayectoria del móvil es una circunferencia y puede ser uniforme o variado. 2.1. Movimiento Circular Uniforme En este movimiento la trayectoria del móvil es una circunferencia, la velocidad angular es constante y se determina con la fórmula: 2 n t donde n es el número de vueltas que da el móvil en un tiempo t. La velocidad lineal o tangencial del móvil es: v o bien 2 r n t v r y la aceleración centrípeta. v2 ac , t o ac 2 r 2.2. Movimiento Circular Uniformemente Variado Es aquel movimiento cuya trayectoria del móvil es una circunferencia y su velocidad angular aumenta o disminuye cantidades iguales en tiempos iguales. Las ecuaciones de movimiento son: 0 t 2 02 2.. 1 2 0 .t t 2 Usándose el signo (+) para el movimiento circular uniformemente acelerado y el signo (-) para el movimiento circular uniformemente desacelerado. Las aceleraciones centrípetas, tangenciales y totales de estos movimientos son: v2 ac , r ac r a at2 a c2 Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY