1 CONCEITO E METODOLOGIA

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Biofísica: conceito e suas aplicações em sistemas biológicos
Professor: Ramon Rego
 Segundo MASCARELLO (2006), a Biofísica estuda os sistemas vivos do ponto de vista físico e físico-químico, incluindo: 
· a natureza molecular dos sistemas biológicos 
· os processos dinâmicos de transporte
· transformação da matéria biológica 
· as transformações de energia 
· a sinalização e a comunicação celular 
· a organização dos processos biológicos 
 Tanto no nível fisiológico de cada indivíduo, como nas relações entre os indivíduos, as espécies e o meio ambiente.
· O que é a Biofísica? 
 A biofísica é uma ciência interdisciplinar que aplica as teorias e os métodos da física para resolver questões de biologia.
· Estudo da natureza molecular dos sistemas biológicos 
 Atualmente, a biologia moderna baseia-se, cada vez mais, nos conceitos de estrutura e organização molecular relacionados às funções biológicas. 
 Através de métodos físicos, pode-se determinar precisamente as estruturas moleculares, aliados a métodos de manipulação e engenharia genética que possibilitam modificações específicas. 
 Não existem diferenças entre as leis que regem o comportamento dos sistemas vivos e as que regem os sistemas inertes, apenas adaptações em função da complexidade dos sistemas.
· Átomos e moléculas 
1. São os componentes fundamentais tanto da matéria inerte como dos sistemas vivos. 
2. As leis básicas da Física e da Química são igualmente válidas 
3. Possuem como diferença a forma de organização: nos sistemas biológicos são essencialmente dinâmicos e complexa, na matéria inerte são estáticos. 
Exemplo: O funcionamento das células e os organismos vivos e as usinas complexas, onde se desenrolam continuamente reações químicas e transformações energéticas.
 Como nas disciplinas Física e Química, os átomos são as unidades fundamentais dos sistemas moleculares. 
 Nos séculos XVIII e XIX, com os avanços na Química, pensou-se que o átomo fosse uma unidade última e indivisível da matéria. Sabe-se hoje que ele é constituído por prótons e nêutrons, formado por um núcleo, e por uma nuvem eletrônica que o circunda. 
 Do ponto de vista da Física Molecular, o essencial é que os átomos são formados por um núcleo com cargas positivas (devidas aos prótons) envolto em uma nuvem eletrônica negativa. 
A carga elétrica do conjunto atômico e a disponibilidade de alguns elétrons para trocas ou compartilhamento por diferentes átomos são as características fundamentais que definem as propriedades químicas da matéria.
· Composição química dos sistemas biológicos 
1. Água (H2O) e os íons inorgânicos – sódio (Na+), cloro (Cl-), potássio (K+) e cálcio (Ca++) de forma abundante e essenciais. 
2. Proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos: macromoléculas formadas por centenas ou mesmo milhares de átomos ligados uns aos outros covalentemente. 
3. A funcionalidade biológica das macromoléculas depende da sequência de suas ligações, da conformação espacial e da associação com outras macromoléculas. 
4. As unidades funcionais biológicas são estruturas macromoleculares complexas envolvendo uma ou mais moléculas.
As moléculas são formadas por 
· Átomos de: C, H, O, N, P, S. 
· Metais, na forma de íons : Na, K, Ca, Mg. 
· Metais, mais pesados em pequenas quantidades: Fe, Zn. 
· H e O: mais abundantes, encontrados essencialmente na forma de moléculas de água. 
· C, N, P, S: integram as estruturas de macromoleculares e de outras pequenas moléculas com importante atividade biológica
As macromoléculas, ou polímeros biológicos, são formadas por alguns poucos grupos químicos que são os tijolos da estrutura molecular biológica. 
As proteínas são constituídas por aminoácidos; 
Carboidratos e lipídios são componentes essenciais das membranas e paredes celulares. 
DNA e o RNA, por ácidos nucléicos.
Vitaminas e hormônios são pequenas moléculas, de diferentes categorias de compostos orgânicos, com papel regulador da atividade biológica. 
Alguns grupos químicos são parte integrante de proteínas com atividades específicas, como, o grupo heme, um complexo ferroporfirina, encontrado em mioglobinas e hemoglobinas, cuja função específica é capturar o oxigênio necessário para a combustão celular.
 As proteínas, independentemente de sua forma, tamanho ou função, são formadas a partir da combinação de 20 aminoácidos. 
 O DNA é formado pela combinação de apenas quatro nucleotídeos. 
 O que define a variedade de espécies e organismos são as inúmeras combinações possíveis desses elementos e processos.
Existe uma hierarquia dos processos bioquímicos. 
As cadeias de ácidos nucléicos (DNA e RNA) regulam a síntese das proteínas necessárias ao funcionamento biológico. 
Por sua vez, as proteínas, principalmente em forma de enzimas, promovem e controlam todos os outros processos químicos realizados na célula.
· Estudo da biofísica nos sistemas biológicos
 Para o estudo dos sistemas biológicos, são necessários muitos estudos e experimentações. 
 Na biofísica, como na ciência em geral, procura-se estabelecer relações entre conjuntos de observações, com as quais tenta-se desenvolver generalizações e, a partir disso, elaborar conceitos teóricos para suas interpretações.
· Como são feitas as generalizações?
 A partir de experimentos similares. 
 Na prática, é difícil garantir que dois experimentos sejam exatamente iguais em todas as minúcias, de modo que não podemos assegurar resultados iguais. 
 Os dados numéricos deverão variar dentro de uma faixa, denominada erro experimental, e as generalizações deverão levar em conta esses erros ou incertezas.
· Avanços da biofísica nos sistemas biológicos
· Estrutura do DNA 
· Impulsos Nervosos 
· Bioeletricidade 
· Sinapses
· Grandezas fundamentais e derivadas mais importantes nos sistemas biológicos
 A Física, como ciência experimental, baseia-se na realização de medidas e na definição precisa de escalas. 
 Estas últimas foram estabelecidas no decorrer da História em função da prática diária do homem e do desenvolvimento científico e tecnológico. 
 Também é decorrência de nossa prática diária a definição de uma escala macroscópica (aquilo que enxergamos) e de uma escala microscópica (aquilo que não enxergamos).
· Medidas e padrões: Grandezas
 Em física, uma grandeza é o conceito que descreve qualitativa e quantitativamente as relações entre as propriedades observadas no estudo da natureza (no seu sentido mais amplo). 
 A Grandeza é tudo aquilo que envolve medidas. Sendo assim, medir significa comparar quantitativamente uma grandeza física com uma unidade através de uma escala pré-definida. Nas medições as grandezas sempre devem vir acompanhadas de unidades. 
Exemplos de grandezas: comprimento, massa, temperatura, velocidade.
 No Sistema Internacional de Unidades (SIU) as unidades métricas são utilizadas para expressar uma Grandeza.
· Termos
· Matéria: objetos ou corpos. 
· Energia: calor, luz e som. 
· Espaço: áreas, volume e distâncias. 
· Tempo: decorrer da vida, sucessão dos acontecimentos.
· Massa: quantidade de matéria de um ser vivo. Sob ação da gravidade exerce uma força que é o peso. Larga variação de massa entre os seres vivos: vírus 10-20 Kg, Baleias 103 Kg. 
· Área (L2): área ou superfície corporal em m2 ou em cm2. 
· Volume (L3): expressa em m3 ou cm3 ou ainda em l ou ml.
· Potência na base 10n
 Dentro dos vários campos da Biofísica, nos deparamos com estudos em que os corpos ou quantidades são muito grandes ou muito pequenas, quando comparadas as quantidades usuais. 
 Esse tipo de representação, em muitos casos, dificulta a operação matemática ou mesmo o entendimento real da quantidade medida. 
 Uma forma de representar essas quantidades é pela utilização de fatores multiplicativos que permitem a escrita num formato mais simples e que facilitam a realização de operações matemáticas, denominada notação científica.
A matemática opera com números puros. 
Exemplo: Na= 6,023 x 1023 pode-se interpretá-lo como sendo 6.023 seguido de 20 zeros. 
Na= 6,023 x 1023 moléculas/mol,
será umreferido número resultante de uma medida direta ou indireta que estará afetado de certo erro que somente permite escreve-lo com quatro algarismos significativos.
· Utilização de Gráficos
 São construídos a partir de um conjunto de valores teóricos ou resultados obtidos de trabalhos experimentais. 
 Através dos gráficos, pode-se ter ideia imediata do comportamento entre duas ou mais grandezas observadas. 
 Para construirmos um gráfico, devemos estabelecer uma escala em cada eixo, de modo que pares de valores possam ser colocados no gráfico, independente do intervalo de variação desses valores.