Biofísica

Facultat de Medicina
PLA DOCENT DE L’ASSIGNATURA
DADES GENERALS
Nom de l’assignatura : BIOFÍSICA
(Biofísica Médica General, General Medical Biophysics)
Codi: 360811
Tipus : Obligatòria
Impartició: 1r semestre
Departaments implicats : Ciències Fisiològiques I i Ciències Fisiològiques II
Nom del professor coordinador : José Carlos Perales
Membres de l’equip docent:
Crèdits ECTS :
Ángel González Sistal
Jordi Bermúdez Mas
Teresa Roig Rovira
6
Hores estimades de l’assignatura :
• Hores presencials 60
• Hores aprenentatge autònom
90
Prerequisits per cursar l’assignatura
Per un correcte seguiment de l’assignatura, l’alumne haurà de tenir les competències
(coneixements teòrics i resolució de problemes) corresponents a l’assignatura de Física i
Matemàtiques del Batxillerat.
Competències que es desenvolupen en l’assignatura
Competències que es desenvolupen en l’assignatura
a.- Competències generals (ser capaç de):
-
Aplicar las lleis físiques en la interpretació dels fenòmens biològics, en l’anàlisi i comprensió
dels mecanismes físics a nivell molecular, cel·lular i orgànic de les funcions fisiològiques
normals y patològiques.
-
Aplicar els conceptes, mètodes i tècniques de la biofísica en l’estudi de les funcions de
l’organisme humà.
-
Resoldre problemes numèrics a partir de la formulació d’hipòtesi de treball i de fer una
valoració crítica dels resultats obtinguts.
-
Interpretar els models teòrics i experimentals de les funcions fisiològiques.
-
Comprendre els fonaments físics de les tècniques de diagnosi i teràpia i explicar el
funcionament, aplicacions i limitacions de la instrumentació i tecnologia disponibles.
-
Utilitzar el llenguatge adequat per la comunicació científica.
b.- Competències específiques (ser capaç de) :
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Relacionar els canvis en l'estructura electrònica dels àtoms i molècules a l'absorció o
emissió d'energia.
Descriure l'espectre electromagnètic i explicar els efectes de les diferents radiacions
electromagnètiques sobre els àtoms i molècules.
Descriure les bases de les tècniques espectroscòpiques més utilitzades en medicina.
Relacionar l'estructura molecular amb les seves característiques polars.
Descriure les propietats de l'aigua com a dissolvent.
Explicar la importància biològica de les interaccions dèbils.
Descriure els fenòmens d'interfase i la formació d'estructures estables de molècules.
Caracteritzar termodinàmicament els sistemes i els processos biològics.
Quantificar el balanç energètic dels processos biològics i del metabolisme humà mitjançant
el primer principi de la termodinàmica.
Aplicar el segon principi de la termodinàmica als sistemes biològics.
Relacionar l'estat d'equilibri d'un sistema amb els canvis d'energia lliure.
Justificar la necessitat de l'acoblament de processos exergònics i endergònics en els
sistemes biològics.
Explicar els processos de difusió a través de membranes.
Descriure els processos de transport d'aigua a través de membranes.
Explicar els processos de transport d'ions en un gradent de potencial elèctric.
Descriure i explicar la solubilitat d’un gas en un líquid i el transport de gas a través d’una
membrana.
Explicar els mecanismes moleculars de transport a través de membranes, esquematitzant
els diferents tipus de transport.
Interpretar el fenomen d'aparició de potencials de difusió i descriure la instrumentació
necessària per al seu enregistrament i quantificació.
Descriure els mecanismes de generació del potencial de membrana.
Descriure el potencial d'acció i relacionar-lo amb les modificacions de la conductància
iònica.
Explicar els mecanismes de conducció de l'impuls nerviós a l'axó.
Descriure l'efectivitat de la força muscular per produir rotació mitjançant el moment.
Calcular el valor de les forces musculars i de lligadura en les articulacions.
Caracteritzar les propietats mecàniques dels teixits.
Descriure la mecànica de la contracció muscular
Explicar els fenòmens energétics musculars.
Descriure els mecanismes de fractura òssia.
Interpretar el fenomen de la desintegració nuclear i aplicar la llei de desintegració
radioactiva.
Descriure la interacció de les radiacions ionitzants corpusculars i electromagnètiques amb
la matèria.
Descriure el principi de funcionament d'un tub de raigs X.
Descriure les bases físiques de les tècniques de formació d'imatges per emissió i per
atenuació de radiacions ionitzants.
c.- Competències transversals (ser capaç de):
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Saber analitza i sintetitzar la informació
Tenir capacitat d’organització i planificació
Conèixer les eines d’informàtica relatives a l’àmbit de l’assignatura
Conèixer els principis del mètode científic
Analitzar críticament la informació biomèdica
Formular hipòtesis de treball i aplicar models teòrics per a la resolució de problemes
Interpretar gràfiques
Treballar en equip
Utilitzar les eines i el llenguatge adequats per a la presentació i comunicació escrites de
resultats
Objectius d’aprenentatge de l’assignatura
Objectius específics: (Descripció de cadascuna de les competències específiques pròpies de
l’assignatura a assolir per l’alumne)
-
-
1. Interaccions llum-matèria.
Entender cómo la corteza electrónica de átomos y moléculas interacciona con la luz y almacena
la energía electromagnética.
Transformación de la energía luminosa en energía electroquímica química en los ciclos
biológicos.
Relacionar las características de las radicaciones electromagnéticas con sus efectos sobre un
medio material.
Fundamentos de la espectroscopia
2. Interaccions molecular i fenòmens d’interfase
Relacionar la estructura molecular con las características polares de las moléculas.
Relacionar la estabilidad de las interacciones moleculares con su energía.
Conocer los fundamentos de la espectroscopía de infrarrojo
Conocer la importancia biológica de las interacciones débiles.
Conocer la interpretación molecular de los fenómenos de interfase.
Relacionar la solubilidad de un gas con su presión parcial.
3. Bioenergètica
Relacionar la espontaneidad de un proceso con la tendencia de todos los sistemas al equilibrio.
Caracterizar un fenómeno mediante su flujo e identificar la causa que lo origina a partir del
gradiente asociado.
Relacionar la causa y el flujo de un proceso mediante el coeficiente fenomenológico.
Plantear el balance energético de un proceso.
Conocer la interpretación estadística de un proceso espontáneo. Relacionar orden, probabilidad
y complejidad con entropía.
Relacionar las variaciones de energía libre y de entropía asociadas a un proceso con los
intercambios de trabajo útil y de calor, respectivamente.
Caracterizar el equilibrio de una reacción a partir de la diferencia del potencial químico de
productos y reactivos.
Acoplamiento de procesos biológicos
Explicar cómo los sistemas vivos obtienen energía libre para mantener sus gradientes.
4. Fenómenos de membrana
Entender el papel de las membranas biológicas en el mantenimiento de la estructura de los
sistemas vivos.
Relacionar la permeabilidad de una membrana con sus propiedades físico-químicas.
Plantear el equilibrio entre ósmosis y filtración.
Interpretar la diferencia de presión osmótica como una fuerza asociada a la diferencia de
concentración efectiva de soluto.
Conocer las características eléctricas de la membrana celular y las relaciones entra potencial
de membrana, intensidad de campo y densidad de carga.
Asociar los flujos de electrodifusión a la diferencia de potenciales electroquímicos.
Deducir las condiciones de equilibrio en membranas que separen medios con solutos iónicos
impermeables.
Entender la génesis de los potenciales de difusión y su relación con las diferencias de
concentración de los solutos y sus permeabilidades. Introducir le ecuación de Goldman.
Entender la necesidad de mecanismos activos para mantener la membrana celular en una
situación estacionaria fuera del equilibrio.
Aplicar los conceptos de procesos acoplados al transporte activo, identificando las fuentes de
energía libre, los procesosendoergónicos y estableciendo los balances energéticos.
5. Fenómens elèctrics de las membranas biològiques. Potencial de membrana.
La membrana celular como condensador y conductor electrico. Circuíto equivalente.
Respuesta del circuito equivalente a perturbaciones del potencial eléctrico. Constantes de
tiempo y de espacio de esta respuesta.
Relacionar la capacitancia y la conductancia de la membrana celular con sus constantes
temporal y espacial en la respuesta a perturbaciones de su potencial de membrana.
Comparar la respuesta eléctrica de membranas con distintas características eléctricas.
Explicar la diferencia entre respuesta electrotónica y potencial de acción.
Conocer las características del potencial de acción y deducir su relación con los cambios de
conductancia iónica de la membrana.
-
-
-
-
-
Relacionar la velocidad de propagación del potencial de acción con los valores de las
constantes espacial y temporal de la membrana y el radio del axón.
Conocer las estrategias evolutivas para aumentar la velocidad de propagación y sus valorar sus
consecuencias sobre el metabolismo energético celular.
6. Biomecànica Articular y Muscular
Conocer las condiciones de equilibrio de un cuerpo rígido y aplicarlas a las a
Definir el comportamiento elástico de un tejido blando e interpretar las pérdidas de energía en
los procesos deformación – recuperación.
Interpretar
la respuesta mecánica del músculo mediante modelos compuestos por elementos contráctiles, elá
sticos yviscoelásticos.
Deducir la ley de Laplace para un conductor cilíndrico y para una cavidad esférica.
Interpretar las gráficas tensión – longitud de la respuesta de un músculo estriado en respuesta
a un estímulo y a una elongación pasiva.
Relacionar la respuesta del músculo con el mecanismo de génesis de fuerza.rticulaciones.
Evaluar el efecto rotacional de una fuerza a partir de su momento.
Evaluar las fuerzas musculares y las de compresión en las articulaciones, a partir de las
condiciones de equilibrio del sólido rígido.
Explicar el efecto de una fuerza sobre un cuerpo sólido deformable.
Interpretar los gráficos esfuerzo – deformación de
un cuerpo deformable. Conocer los conceptos de tenacidad, fragilidad,rigidez, elasticidad, plasticid
ad.
Conocer las propiedades mecánicas y las respuestas de los huesos y de los tejidos blandos del
organismo a las fuerzas de deformación.
Describir y cuantificar las respuestas de los huesos a la tracción, la compresión, la flexión y
la torsión.
7. Radiofísica.
Interpretar estadísticamente la desintegración radiactiva y derivar
la ley de desintegración radiactiva.
Conocer los distintos tipos de desintegración, indicando la estructura del núcleo resultante.
Interpretar la atenuación de las radiaciones ionizantes con la materia.
Explicar el fundamento de la formación de imágenes por emisión de radiaciones ionizantes.
Conocer los mecanismos de atenuación de las radiaciones b- en un medio material.
Describir los principios y aplicaciones de la radiación sincrotrón
Conocer los elementos básicos de un tubo de rayos X convencional.
Interpretar el espectro del haz generado por un tubo de rayos X.
Conocer los mecanismos para la modulación del espectro de los rayos X.
Conocer los mecanismos de atenuación de los rayos X en un medio material.
Explicar el fundamento de la formación de imágenes por atenuación de radiaciones ionizantes.
Describir los métodos que permiten mejorar el contraste de la imagen radiológica.
Describir la formación de radicales libres provocada en
un medio biológico irradiado por radiaciones ionizantes.
Describir los efectos biológicos elementales de las radiaciones ionizantes.
Describir las bases físicas de la utilización terapéutica de las radiaciones ionizantes.
Conocer y entender el funcionamiento de los distintos aparatos de detección y medida de
las radiaciones ionizantes.
Interpretar las distintas unidades de medida de las radiaciones ionizantes.
Bloc temàtic o de continguts de l’assignatura
a.- Classes magistrals (1 h):
Tema I. ESTRUCTURA I INTERACCIONS MOLECULARS
1. Absorció i emissió d’energia per àtoms i molècules
2. Làser. Termografia.
3. Ressonància magnètica nuclear.
4. Interaccions moleculars.
Tema II. RADIOFÍSICA
5. Radioactivitat.
6. Aplicacions mèdiques dels isòtops
7. Raigs X. Interaccions fotó-matèria
8. Efectes moleculars i cel·lulars de les radiacions ionitzants
Tema III. BIOENERGÈTICA
9. Conservació de l’energia
10. Entropia i irreversibilitat
11. Energia lliure i espontaneïtat
12. Potencial químic i equilibri
13. Processos acoblats
14. Fonts d’energia lliure
15. Reaccions redox i energia lliure.
Tema IV. TRANSPORT A TRAVÉS DE MEMBRANES
16. Difusió
17. Osmosi
18. Flux d’ions
19. Equilibri d’electrodifusió
Tema V. BIOELECTRICITAT
20. Potencial de difusió
21. Potencial de membrana
22. Relació corrent-voltatge.
23. Propagació passiva dels canvis de potencial.
24. Potencial d’acció
25. Conducció del potencial d’acció
Tema VI. BIOMECÀNICA
26. Mecànica múscul-esquelètica
27. Tipus de contracció. Relació força-longitud. Energètica muscular
28. Equilibri de forces a les articulacions
29. Elasticitat dels teixits
30. Propietats mecàniques dels óssos.
b.- Pràctiques de laboratori (2 h)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Elaboració i interpretació de gràfics
Espectroscòpia
Emissió i absorció d’energia
Radioactivitat
Atenuació de radiacions ionitzants
Energia Lliure
Osmosi
Fenòmens de membrana
Potencial de difusió
Flux d’ions a través de membranes
Energètica de membranes
Potencial d’acció
Forces en les articulacions
Metodologia i organització general de l’assignatura
La docència presencial de l’assignatura constarà de 60 h, distribuïda en 30 classes magistrals
(1 h) i 15 sessions de pràctiques de laboratori (2 h).
c.- Tutories (1 h)
Les 15 tutories es distribuiran en 1 tutoria inicial destinada als canvis d’unitats físiques i 2
tutories per cada un dels 7 temes de les classes magistrals (total 15 tutories).
Avaluació
•
Procediment
L’avaluació serà continuada i la qualificació final constarà de la combinació de dos
procediments: avaluació al llarg del procés d’aprenentatge (30% de la qualificació final) i prova
de síntesi (70% de la qualificació final).
Els alumnes que manifestin no poder complir els requisits de l’avaluació continuada, hauran de
demanar avaluació única durant la primera setmana del curs.
a) Avaluació al llarg del procés d’aprenentatge:
Els elements d’avaluació s’obtindran a partir de la participació i resultats obtinguts en les
sessions pràctiques.
•
Criteris d’avaluació
b) Prova síntesi:
Consistirà en l'avaluació de les competències del conjunt de l'assignatura. Seran objecte
d'avaluació conjunta els continguts corresponents a la docència teòrica i pràctica.
Contingut de la prova:
• preguntes d'elecció múltiple
• preguntes obertes d'extensió limitada
• exercicis d'aplicació numèrica
• resolució de problemes
Criteris d'avaluació
• comprensió de conceptes generals
• coneixement de lleis, fenòmens i processos
• capacitat de relacionar i integrar els coneixements teòrics
• capacitat d'aplicar els coneixements adquirits a la resolució de problemes
• capacitat de resolució d'exercicis numèrics
• capacitat de descriure i interpretar la relació entre dades mitjançant gràfics.
•
Criteris de qualificació final (prova de síntesi)
Per superar l’assignatura caldrà obtenir un 50 % de la puntuació màxima.
•
Sistema de puntuació i ponderació
Fons d’informació bàsica
Els textos bàsics de referència seran:
Bàsics:
KANE, J.W.; STERNHEIM, M.M. Física. Ed. Reverté, 1989.
FRUMENTO, A.S.. Biofísica. 3ª Ed. Mosby/ Doyma Libros, S.A. 1995.
NELSON, P. Física Biológica. Energía, información, vida. Ed. Reverté, 2005.
STABLER, T.; PETERSON, G.; SMITH, L. PhysioEx 6.0 for human physiology. (Laboratory
simulations in physiology). Pearson Education, Inc.; Benjamin Cummings, 2006.
Consulta:
LODISH, H.; BERK , A.; MATSUDAIRA, P.; KAISER, C.A.; KRIEGER, M.; SCOTT, M.P.;
ZIPURSKY, S.L.; DARNELL, J.. Biología celular y molecular. 5ª Ed. Editorial Médica
Panamericana, 2005.
SILVERTHORN, D.U.. Fisiología Humana. Un enfoque integrado. 4ª Ed. Editorial Médica
Panamericana, 2007.
TIPLER, P.A. Física para la ciencia y la tecnología. 4ª Ed. Editorial Reverté, S.A., 2001.