Introdução a Biofísica

Prévia do material em texto

– [ ° ]
• Ciência interdisciplinar que aplica as teorias e métodos da 
física para resolução de questões de biologia; é o estudo 
da matéria, espaço, energia e tempo ocorrendo em 
sistemas biológicos 
 
• Estuda em escala macro e microscópica os fenômenos 
físicos e químicos 
 
• Os seres vivos são compostos por Átomos → Moléculas → 
Células → Tecidos → Órgãos → Sistemas → Organismos 
Composição fundamental 
• Também denominados grandezas, qualidades ou 
dimensões fundamentais, são primitivas, ou seja, não 
dependem de outras para serem definidos; os seres vivos, 
compondo o universo, são compostos por matéria, 
utilizam e produzem energia, ocupam espaço próprio, e 
vivem na dimensão tempo 
 
• As grandezas naturais definem a composição e os 
fenômenos que ocorrem no universo, de forma qualitativa; 
definições quantitativas usam-se números 
 
• Matéria: objetos, corpos, alimentos 
 
• Energia: calor, luz, som, trabalho [campo emitido pela 
matéria] 
o Energia potencial [Ep]: em repouso, armazenada 
o E. cinética [Ec]: em movimento, trabalhando 
▪ A conversão de um estado p/ outro é possível e 
frequente nos sistemas biológicos 
Estados e formas de energia nos campos 
Campo G Campo EM Campo N – 
mantém a 
coesão entre 
partículas 
subatômicas, 
sustentando as 
células derivada 
deles 
Gravitacional – 
influencia todos 
os seres vivos, 
interfere 
diretamente na 
administração de 
fluidos e 
drenagem de 
líquidos 
Elétrica – 
presente em 
todas as células, 
mantém átomos 
e moléculas 
unidos 
Nuclear forte 
Mecânica – 
Trabalho 
Magnética – 
participa de 
atividades 
moleculares 
Nuclear fraca 
Eletromagnética 
– presente sob 
forma de calor, 
responsável pelos 
fenômenos de 
visão e 
fotossíntese 
 
• Espaço: distancias, áreas e volumes 
• Tempo: sucessão de um evento 
Grandezas derivadas 
• São definidas pela relação/combinação entre 2 ou mais 
grandezas fundamentais, derivadas do sistema 
internacional [SI] 
 
• Área [espaço ao quadrado] 
• Volume [espaço ao cubo] 
• Trabalho [força X distancia] 
• Força [massa X aceleração] 
• Densidade – ou massa especifica [massa/volume] 
• Pressão [força/aceleração] 
 
• Matéria ↔ Energia ↔ Força ↔ Trabalho – Teoria dos 
Campos 
 
• Grandezas fundamentais e derivadas são agrupadas, 
formando sistemas coerentes de medidas, como o SI 
Grandeza Unidade Símbolo 
Comprimento/Distancia Metro M 
Massa Quilograma Kg 
Tempo Segundo S 
Corrente elétrica Ampère A 
Temperatura 
termodinâmica 
Kelvin K 
Quantidade de matéria Mol Mol 
Intensidade luminosa Candela cd 
Quantidade catalítica Katal kat 
Área Metro 
quadrado 
m² 
– [ ° ]
Volume Metro cubico m³ 
Força Newton N 
Frequência hertz Hz 
Potencia Watt W 
Pressão Pascal Pa 
Temperatura em celsius Grau celsius C° 
Densidade Quilograma por 
metro cubico 
Kg/m³ 
Velocidade Metro por 
segundo 
m/s 
Aceleração Metro por 
segundo ao 
quadrado 
m/s² 
Ângulo plano Radiano rad. 
Ângulo solido Esterorradiano Sr – m²/m2 
Energia Joule Hz – 1/s 
Carga elétrica Coulomb C 
Tensão elétrica Volt V – W/A 
Resistencia elétrica Ohm Ω – V/A 
Capacitância Farad F; A – s/V 
Condutância Siemens S; A/V 
Indutância Henry H; Wb/A 
Fluxo magnético Weber Wb 
Densidade do fluxo 
magnético 
Tesla T – Wb/m² 
Fluxo luminoso Lúmen Lm 
Luminosidade Lux Lx; lm/m² 
Atividade radioativa Becquerel Bq 
Dose absorvida Gray Gy; J/kg 
Dose equivalente Sievert Sv; J/kg 
 
• MKS – metro, quilograma e segundo 
• CGS – centímetro, grama e segundo 
 
Notação cientifica 
• Forma de escrever números acomodando valores 
demasiadamente grandes ou pequenos, 
convenientemente escritos em forma de N x 10e 
 
• 1 kg [1 quilograma] = 1000g = 1 x 10³g 
• Velocidade da luz – 299.792.458m/s = ~3,0 x 108 
• Infravermelho – 0,0000007 = 7 x10−7 
Prefixo Símbolo Potência de 10 
Yotta Y 1024 
Zetta Z 1031 
Exa E 1018 
Peta P 1015 
Tera T 1012 
Giga G 109 
Mega M 106 
Quilo K 103 
Hecto h 102 
Deca da 101 
Unidade padrão g, m, h 100 ou 1 
Deci d 10−1 
Centil C 10−2 
Mili M 10−3 
Micro u 10−6 
Nano n 10−9 
Pico P 10−12 
Fento F 10−15 
Atto A 10−18 
Zepto Z 10−21 
Yocto y 10−24 
 
Grandezas 
• Massa [m]: medida da quantidade de matéria de um ser; 
na ação da gravidade, exerce o peso corporal [força]; na 
biologia médica, é um indicador do estado de higidez dos 
indivíduos 
o Unidade de massa molecular: Dalton 
Algumas massas aproximadas 
Universo 1 x 1053 
Galáxia 2 x 1041 
Sol 2 x 1030 
Lua 7 x 1022 
Próton 2 x 10−27 
Elétron 9 x 10−31 
 
Grandeza Unidade Símbolo Relação c/ SI 
Tempo Minuto Min 1min=60s 
Tempo Hora H 1h=60min=3600s 
Tempo Dia D 1d=24h=86400s 
Ângulo 
plano 
Grau ° 1°= π /180rad 
Ângulo 
plano 
Minuto ‘ 1’=(1/60)° = 
π /10800rad 
Ângulo 
plano 
Segundo * 1*=(1/60)° = 
π /648000rad 
Volume Litro L 1l=0,001m² 
Massa Tonelada T 1t=1000kg 
Argumento 
logarítmico 
ou Ângulo 
hiperbólico 
Neper Np 1Np=1 
Arg. Log. 
Ou Ângulo 
hiperbólico 
Bel B 1B=1 
– [ ° ]
• Comprimento [L] – metro [m], área [m² no SI – cm² na 
biologia]– superfície corporal [L²] e volume [L³] – metro 
cúbico [m³], o litro [L] e o mililitro [ml]: se relacionam c/ 
espaço e as dimensões do corpo; variam entre os seres e 
se relacionam c/ fatores fisiológicos, como o metabolismo 
o O volume é termodinâmico 
 
• Densidade: relação entre a massa e o volume de um 
corpo, que é igual a relação entre quilograma por metro 
cubico – d = 
𝑚
𝑣
= 
𝑘𝑔
𝑚³
 ou 𝑑 =
𝑚
𝑣
=
𝑚
𝐿3
= 𝑀𝐿−3 ; dsangue = 1,057 
x 10³ kg. 𝑚−3 
o A densidade de tecidos e fluidos biológicos é constante, 
variando dentro de estreitos limites, podendo significar 
alterações patológicas 
o ↓ Matéria = ↓ Densidade 
 
o A densidade é termodinâmica 
 
• Velocidade: relação entre espaço e tempo percorrido – v 
= 
𝑒𝑠𝑝𝑎ç𝑜
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
 medindo a veloidade constante, aproximada, da 
corrente sanguínea, dos impulsos nervosos, dos 
movimentos musculares, do deslocamento de íons entre 
compartimentos, etc.; no contexto de velocidade de 
reações químicas, substitui-se o espaço percorrido pela 
matéria transformada 
 
• Aceleração: mudança da velocidade em função do 
tempo; a = 
𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑜 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
 = 
𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 ²
 𝑜𝑢 
𝐿𝑇−1
𝑇
= 𝐿𝑇3; 
aceleração do sangue na ejeção cardíaca, de objetos 
pela contração muscular... 
o Se o espaço percorrido aumenta em função do tempo, 
a aceleração é positiva se diminui, é negativa, se 
constante, é uniforme 
o Aceleração da gravidade [g]= 9,8m/s² 
 
• Força: 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 × 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 = 𝑘𝑔 × 
𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 ²
= 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 [𝑁]; 
forças de atração e repulsão nas moléculas biológicas, 
força da contração muscular... 
 
o É uma grandeza vetorial, sendo necessária conhecer a 
sua direção, intensidade e sentido 
 
o As forças fundamentais são as de interação entre corpos 
macroscópicos e/ou partículas elementares 
 
o Força gravitacional: resultante da interação entre 
massas 
 
o F. eletromagnéticas: resulta da interação entre cargas 
elétricas 
 
o F. nucleares: fracas/fortes 
 
o F. elásticas: 
▪ Tração: o corpo é submetido à ação de 2 forças’, c/ 
sentido relativo de afastamento em dimensões lineares 
 
▪ Compressão: ‘’, c/ sentido relativo de aproximação, 
aplicada em diferentes pontos 
 
▪ Flexão: o corpo é submetido pelo menos a ação de 3 
forças, sendo 2 no mesmo sentido e a outra em sentido 
contrário 
 
▪ Torção: o corpo é submetido a ação de pares de 
forças que agem em sentidos opostos e em planos 
diferentes 
 
• Trabalho: atividade do ser humano, corresponde ao 
deslocamento de uma força, relacionada diretamente c/ 
energia; T = 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 × 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑁 × 𝑚 = 𝐽 [𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒]; contração 
muscular [trabalho da energia elétrica dos músculos], 
síntese de proteínas [trabalho da e. elétrica dos alimentos] 
o Joule: relaçãoentre força e deslocamento; 𝐸 =
𝐹𝑜𝑟ç𝑎 × 𝐷𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎; obtido quando a força de 1N se 
desloca um 1M 
o Potência [Watts]: relação entre trabalho e tempo – se a 
massa for movimentada em 1s, a potência será de 1W 
𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 =
𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒
𝑆𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
; 𝑊 = 
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜
= 
𝑀𝐿²𝑇−2
𝑇
= 𝑀𝐿²𝑇−3 
o 
 
• Pressão: é a força agindo sobre uma área; 
𝑓𝑜𝑟ç𝑎
á𝑟𝑒𝑎 
=
𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛
𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑎𝑜 𝑞𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜
= 𝑃𝑎 [𝑃𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙]; 1 𝑃𝑎 = 1𝑁 𝑥 𝑚−2; pressão 
sanguínea [força que o sangue exerce sobre as paredes 
dos vasos sanguíneos], pressão intraglomerular [força que 
o plasma exerce dentro do glomérulo, produzindo o 
filtrado p/ formação de urina] 
o Quando a pressão exercida modifica o volume do 
sistema, aparece trabalho – energia, podendo resultar 
da contração de cavidades; (𝑀𝐿−1𝑇−2) × (𝐿3) = 𝑀𝐿²𝑇−2 
 
• Viscosidade: resistência interna de um fluido, liquido ou 
gás, visível no seu escoamento, no sentido físico é a força 
que deve ser feita durante um tempo para deslocar uma 
área unitária de um fluido; 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 
𝑓𝑜𝑟ç𝑎 ×𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
á𝑟𝑒𝑎 
=
 
𝑛𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 ×𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜
𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑎𝑜 𝑞𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜 
= 𝑃𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙 × 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜; circulação do sangue, 
lubrificação das articulações... 
 
• Tensão superficial: força que deve ser feita para penetrar 
objetos em superfície liquida; 𝑇𝑆 = 
𝑓𝑜𝑟ç𝑎
𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 
=
𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜
á𝑟𝑒𝑎
=
 
𝑛𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛
𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 
 
 
• Temperatura: intensidade da energia térmica, devendo 
ser diferenciada do calor, que mede a quantidade de 
energia térmica; medida na escala Celsius, c/ 0°C na 
fusão do gelo e 100°C na ebulição da agua, ou na escala 
Kelvin [absoluta], c/ 0° a -273,15K – 𝑇 [𝐾] = 𝑡(°𝐶) + 273,15 
o Ao utilizar Kelvin, não se coloca o símbolo de grau (°) 
 
• Frequência: n° de evento qualquer num intervalo de 
tempo; 𝑓 = 
1
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜
=
1
𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜
= 𝐻𝑧 [𝐻𝑒𝑟𝑡𝑧] = 𝑇−1 ; batimentos 
cardíacos, movimentos respiratórios... 
 
• Trabalho: É o objetivo final nos processos biológicos, sendo 
assim, os seres vivos somente vivem enquanto trabalham, 
processo que exige gasto de energia 
o Trabalho ativo: movimento se opõe às forças de campo 
– o sistema está trabalhando, e sua energia interna 
diminuindo 
▪ Se o sistema é trabalhado, sua energia interna se 
conserva e/ou aumenta 
o Trabalho passivo: movimento segue as forças de campo 
– o campo está trabalhando 
o Trabalho combinado: movimento segue as forças do 
campo, ajudado por alguma força estranha ao corpo 
o Trabalho conjugado: necessidade de complementar o 
trabalho passivo a ser feito 
▪ Todo trabalho começa a nível molecular 
– [ ° ]
▪ Os biossistemas são econômicos, não aplicando 
trabalho ativo onde há o passivo – onde há T.P, houve 
T.A; ex: uma mola ao ser liberada, estende ou encolhe, 
sendo assim, é um trabalho passivo, pois antes de ser 
liberada, ela foi esticada, ou seja, trabalho ativo 
 
Medidas 
• Todo parâmetro físico e biológico é dimensional 
 
• Medidas de processos repetitivos: envolve o n° de 
repetições/min, segundo, hora; pulso [70 pulsações/min] e 
respiração [15 inspirações/min] 
 
• Medidas não repetitivas: podem durar desde o tempo do 
potencial de ação até o resto da vida; tempo p/ rim 
excretar determinada substancia do sangue 
 
• Efeito consultório: medidas que podem sofrer grandes 
alterações devido ao estado do paciente; medidas de 
pressão, taxa de batimento 
 
• Falso positivo: ocorre quando o paciente é diagnosticado 
como tendo uma doença que de fato ele não tem 
 
• Falso negativo: ocorre quando um paciente é 
diagnosticado como não tendo uma doença que ele 
tem, podendo levar a atrasos no tratamento, dentre 
outros 
Soluções 
• São misturas de substancias, podendo ser compostas de 2 
partes ou fases – dispersa/dispersante, classificadas em 
soluções percentuais ou molares 
Diluições 
• Métodos nos quais uma quantidade de substância é 
adicionada a outra para reduzir a concentração de uma 
das substancias 
o O menor n° corresponde ao n° de partes da substancia 
que está sendo diluída 
o O maior n° corresponde ao n° total de partes da solução 
final 
 
Termodinâmica 
• Iniciou c/ estudo do rendimento em máquinas térmicas, se 
tornou mais abrangente na regulação dos fenômenos 
naturais, sendo assim, é a ciência que estuda toda e 
qualquer mudança que ocorre no universo 
• A transformação de energia em trabalho, sendo 
mecânica, térmica ou elétrica, tem de obedecer às leis 
da termodinâmica 
• Sistema: porção definida do espaço 
• Entorno – Ambiente: envolve o sistema 
• Tipos de energia da termodinâmica 
• Interna: soma das energias que ocorrem no interior do 
sistema; E. cinéticas [térmica], potenciais [química, 
nuclear], massa e energias de campos radiantes 
o Em parâmetro microscópio, pode ou não depender da 
massa 
▪ Propriedades intensivas – independem da massa: 
pressão, temperatura, voltagem; ex: na pilha zinco, de 
1,5V, a voltagem é a mesma, não importa o tamanho 
da pilha 
▪ Prop. Extensivas – dependem da massa: volume, 
quantidade de matéria, densidade, quantidade de 
energia; ex: a quantidade de energia elétrica é maior 
na pilha grande 
• Externa: soma das energias que impingem sobre o sistema 
a partir do entorno; E. cinética [deslocamento], potenciais 
[altura do sist. no campo gravitacional] 
Primeira lei da termodinâmica 
• Energia não pode ser criada ou destruída, mas somente 
convertida de outra forma 
• Toda transformação de energia se acompanha da 
produção de calor, produzida pelos seres vivos em todo 
processo biológico, alguns perdendo para o ambiente e 
ficando em estado de temperatura ambiente, enquanto 
outros conservam parte desse calor e parte da 
temperatura 
• Qualquer forma de energia ou trabalho pode ser 
totalmente convertida em calor, porém, o calor não pode 
ser totalmente convertido em trabalho ou energia, 
permanecendo uma parte sob forma de calor, assim, a 
energia do universo é constante 
Segunda lei 
• A energia sempre se desloca de níveis mais altos para 
níveis mais baixos, e esse processo demanda do trabalho, 
assim, qualquer sistema que realiza trabalho tem a sua 
energia diminuída, e a cada energia produzida, esta é 
degradada, tornando-se incapaz de realizar trabalho; ex: 
a água de uma represa que aciona uma turbina, ao 
chegar ao solo, tem menos energia 
 
• Conclui-se que: a quantidade de energia é constante, 
mas, após cada mudança, a qualidade dela piora, 
aparecendo uma energia degradada, a entropia, 
incapaz de realizar trabalho 
 
• Entalpia: conteúdo de calor de um sistema 
o Ent. De formação: síntese de compostos 
o Ent. De solução: substancia dissolvida 
o Ent. De reação: uma reação se passa 
• Há uma 
entalpia para 
cada mudança 
no universo: 
o Exotérmica [-] 
: libera energia 
livre, e é 
espontânea 
o Endotérmica 
[+]: absorve 
energia livre, não ocorre espontaneamente 
o Acoplada: 
em qualquer 
sistema, ocorre 
a reação 
endógena e 
exógena 
simultaneamente; frequente no Ciclo de Krebs 
 
• Energia livre [ΔG] = Entalpia – Entropia; capaz de realizar 
trabalho a volume e pressão constante 
Valores de ΔG e propriedades das reações 
Valor 
relativo 
Tipo de 
reação 
Efeito 
observado 
Probabilidade 
de 
ocorrência 
– [ ° ]
- ΔG ou 
ΔG < 0 
Exergônica Libera 
energia 
Provável, 
espontânea 
+ ΔG ou 
ΔG > 0 
Endergônica Absorve 
energia 
Improvável, 
provocada 
ΔG - 0 Uma ou 
outra 
Reação em equilíbrio 
dinâmico, c/ energia 
mínima e entropia máxima 
 
• Energia de 
ativação: 
nenhuma reação 
ocorre sem que 
seja fornecida 
uma energia 
inicial, formando 
o complexo 
ativado, 
altamente energético e instável, que ao se desfazer, libera 
a energia de ativação, que pode ser utilizada em outros 
pares moleculares 
• Depende da temperatura do sistema 
o > T = ↑ ofertade E.A e maior a velocidade da reação 
o < T = ↓ oferta de E.A e menor a velocidade da reação 
 
• Catálise: agentes 
[catalisadores] 
capazes de modificar 
uma energia de 
ativação, de modo a 
interferir na 
velocidade de uma 
reação, podendo ser 
positivo ou negativo, 
sem modificar o 
equilíbrio, os produtos, 
aparecendo 
inalterado no final da 
reação 
• Os catalisadores 
biológicos podem ser 
enzimas, consideradas 
uma tecnologia 
aperfeiçoada do 
organismo, e, sem 
catálise, não há vida 
Fatores que alteram a atividade enzimática 
Temperatura Condiciona a velocidade da reação 
Cada enzima atua sob uma 
temperatura ideal – extremamente 
altas podem desnaturá-las 
pH Cada enzima possui uma faixa de pH 
ideal 
Tempo Quanto mais tempo a enzima tiver em 
contato com o substrato, mais 
produtos no final da reação 
Concentração 
da enzima e do 
substrato 
Quanto maior a concentração, maior 
a velocidade da reação 
 
Enzimas 
Catalase Decompõe H2O2 em H2O e O2 
DNA Polimerase – 
Transcriptase reversa 
Catalisa a duplicação do DNA 
Lactase Facilita a hidrólise da lactose 
Lipase Facilita a digestão dos lipídios 
Protease Atuam sobre as proteínas 
Uréase Facilita degradação da ureia 
Ptialina – Amilase Atua na degradação do amido 
na boca, transformando-o em 
maltose [moléc. menor] 
Pepsina – Protease Atua sobre proteínas, 
degradando-as em moléculas 
menores 
Tripsina Atua na degradação de 
proteínas que não foram 
digeridas no estômago