¿Qué es la Biofísica?

¿Qué es la Biofísica?
(Traducido de la página internet de la Biophysical Society)

La biofísica es el campo del conocimiento que utiliza los principios de la física y la química, así como los métodos del análisis matemático y de la modelación por computadora, para comprender cómo funcionan los mecanismos de los sistemas biológicos.

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 (~1 nm = 10-9 m), hasta moléculas como proteínas (5-10 nm), almidones (>1000 nm) y las enormemente alargadas moléculas de ADN (cuya longitud es mayor que10,000,000 nm = 1 cm, pero cuyo ancho es de sólo 20 nm, ¡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. Muchos de los nuevos desarrollos de la microscopía biológica forman parte de estos esfuerzos.
¿Qué estudia la Biofísica?
Los problemas biológicos que interesan a la Biofísica son tan diversos como los organismos vivos:
· ¿Cómo polímeros lineales formados por solamente 20 aminoácidos diferentes se pliegan para formar proteínas con estructuras tridimensionales precisas y con funciones biológicas específicas?
· ¿Cómo una gigantesca molécula de ADN se desenrolla y se replica exactamente a sí misma durante la división celular y cómo dirige la producción de proteínas?
· ¿Cómo el sonido, la luz, los aromas, los sabores, los contactos son detectados por órganos sensoriales y convertidos en impulsos eléctricos que proveen al cerebro de información sobre el mundo exterior?
· ¿Cómo una célula muscular convierte la energía química de la hidrólisis del ATP en fuerza mecánica y movimiento?
· ¿Cómo hace la membrana celular, una barrera de lípido impermeable a moléculas solubles en agua, para transportar selectivamente tales moléculas a través de su interior hidrofóbico?
La Biofísica intenta responder estas preguntas usando un enfoque multidisciplinario. Las moléculas específicas que participan en los procesos biológicos se identifican usando las técnicas del análisis químico y bioquímico. Las interacciones y estructuras moleculares se determinan usando técnicas espectroscópicas de la física y la química. Por último, la relación entre la función biológica y la estructura molecular se investiga usando instrumentos físicos altamente precisos y sensibles, así como utilizando técnicas que son capaces de monitorear las propiedades o el movimiento de grupos específicos de moléculas o, en lo que constituyen adelantos novedosos excitantes, utilizando técnicas capaces de visualizar y manipular moléculas individuales, así como de estudiar su comportamiento.
La Biofísica explica funciones biológicas en términos de mecanismos moleculares: descripciones físicas precisas de cómo moléculas individuales trabajan juntas como pequeñas máquinas para producir funciones biológicas específicas.

Pero la Biofísica es más que simplemente un campo del conocimiento científico; es también una carrera excitante para miles de hombres y mujeres de todo el mundo. Los biofísicos trabajan en bachilleratos y universidades, en centros médicos e institutos de investigación, en compañías farmaceúticas y biotecnológicas, así como en agencias gubernamentales y en fundaciones independientes. Su trabajo incluye desde investigación fundamental sobre el mecanismo de acción de medicamentos contra el cáncer, hasta investigación aplicada para buscar métodos novedosos para medir la concentración de glucosa en diabéticos.

La Sociedad de Biofísica (The Biophysical Society)

La Biophysical Society es la organización de profesionales de la Biofísica más grande del mundo; incluye cerca de 6500 miembros, tanto estudiantes como investigadores y maestros, de todas partes del mundo. La sociedad publica el Biophysical Journal, una revista mensual que abarca todos los aspectos de la biofísica, y patrocina una reunión anual (la cual es el congreso de Biofísica más grande en el mundo), así como reuniones especializadas llamadas “Biophysical Discussions” sobre temas de interés contemporáneo.

Temario de la Materia

Biofísica

(Carrera de Biologia en la Universidad de Sonora)

Temario del Curso

Objetivo General.- Introducir al estudiante en el conocimiento de los procesos físicos que ocurren en los procesos vitales.

Objetivo Específico.- Que el alumno conozca la aplicación de los principios y métodos de la física a los fenómenos de la vida.

Temario
1. Introducción. Conceptos físicos y matemáticos básicos
2. Química Cuántica y Enlace Químico
a. Introducción a la mecánica cuántica. Experimentos Importantes.
b. El átomo de Bohr.
c. Principio de Exclusión de Pauli.
d. Energía de Ionización, afinidad electrónica.
e. Electronegatividad y enlaces fuertes.
Ejercicios.
3. Energía, Fuerzas y Enlaces
a. Potenciales interatómicos para enlaces fuertes y débiles.
b. Fuerzas no centrales.
c. Energía de enlace y constante de resorte.
Ejercicios.
4. Reacciones y Termodinámica
a. Leyes termodinámicas. Intercambio y balance de energía. Transpiración y balance de energía.
b. Energía libre, energía interna.
c. Termodinámica y mecánica estadística
d. Cinética de reacciones
e. Leyes de radiación (Stefan-Boltzmann, Planck, Wien y Beer). Energía y espectro electromagnético.
f. Radiobiología (radiación ionizante).
Ejercicios y prácticas.
5. Difusión
a. Difusión, viscosidad, conducción térmica.
b. Ley de Fick. Ley general de Transporte.
c. Potencial químico e hídrico.
Ejercicios y prácticas de laboratorio.
6. Algunas Técnicas y Métodos
a. Rayos X, difracción y estructura molecular.
b. Resonancia Magnética Nuclear.
c. Microscopio de tunelamiento y de fuerza atómica.
d. Pinzas ópticas.
e. Dinámica molecular y dinámica browniana.
Ejercicios y prácticas.
7. Polímeros Biológicos
a. Ácidos nucleicos, polisacáridos, proteínas.
b. ADN, ARN.
c. Proteínas.
d. Doblamiento de proteínas.
Ejercicios y prácticas.
8. Membranas Biológicas
a. Introducción, historia.
b. Química de membranas y estructura.
c. Física de membranas.
Ejercicios, prácticas.
9. Energía Biológica
a. Consumo de energía.
b. Respiración.
c. Fotosíntesis.
d. Síntesis de ATP.
e. Intercambio de iones y potencial eléctrico de membranas. Transporte activo y pasivo.
f. Bomba de K+ y Na+. Potencial de acción y de reposo. Hipótesis de Hodgkin, Katz y Huxley. Biofísica de canales iónicos.
g. Teoría quimiosmótica. Sistema trifosfato.

Temas Selectos a Elección
1. Biofísica de Neuronas
a. Impulsos nerviosos, el sistema nervioso.
b. Memoria.
c. Redes neuronales y auto-asociación.
2. Movimiento de Organismos y Biofísica del Músculo
a. Movimiento de bacterias y otros organismos primitivos.
b. Movimiento muscular. Excitación-Contracción. Propiedades mecánicas del músculo (estriado y liso). Bioenergética de la contracción muscular.
3. Organismos y su Medio Ambiente
a. Intercambio de calor y termoregulación. Animales y el agua.
b. Relaciones área corporal, tasa metabólica y evaporación.
c. Adaptación y forma óptima de la hoja.


Estrategias Didácticas
· Exposición oral y escrita por el alumno sobre investigación documental sugerida por el maestro
· Discusión en grupo de los temas del curso de acuerdo a los temas de la materia
· Trabajos semestrales relacionados con el tema de la materia
· Prácticas de laboratorio asociadas a teorías expuestas en clase
· Participación en seminarios de la materia

Estrategias de Evaluación
· Asistencia a clase
· Exámenes parciales teóricos y prácticos
· Elaboración de trabajo de investigación semestral
· Elaboración de síntesis y reportes de artículos de lectura sugeridos
· Reportes de prácticas de laboratorio
· Examen final

Bibliografía
· Physical Forces and the Mammalian Cell, J. Frangos, Academic Press, 1993
· Motion in Biological Systems, M. Lauffer, Alan R. Liss, New York, 1989
· Molecular and Biological Physics, R. K. Mishra, Kluwer, 1990
· Principles of Enviromental Physics, J. L. Montcith y M. Unsworth, Edward Arnold, 1990
· Biophysics, An Introduction, R. Cotterill, John Wiley and Sons, 2002
· Physics in Biology and Medicine, P. Davidovits, Academic Press, 2001

Datos del Maestro

Amir Maldonado Arce
Departamento de Física
Universidad de Sonora
Cubículo: Planta Baja del Edificio 3R ("nuevo" de Física)
Laboratorio de Biofísica
2 59 21 14
maldona@guaymas.uson.mx