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 -9 m), 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 1
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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
1
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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
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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 • 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
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• 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 • 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
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• ----------- 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 • 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)
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• 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 permanece constante, donde g es la
aceleración de la gravedad en la superficie de la tierra.
2)2/1( mvmgzE +=
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.