UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS DEPARTAMENTO DE FISICA Y GEOLOGIA

PROGRAMA
BIOFISICA
DEPARTAMENTO DE
FISICA Y GEOLOGIA
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS
DEPARTAMENTO DE FISICA Y GEOLOGIA
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS
ASIGNATURA: BIOFISICA
CODIGO:
156202
AREA: FISICA
REQUISITOS:
CORREQUISITO:
CREDITOS: 3
TIPO DE ASIGNATURA:
DIRECTA
JUSTIFICACION:
La asignatura “Biofísica” constituye el pilar básico de formación e información
sobre aspectos básicos de la Física que luego van a ser aplicados en otras
asignaturas de la carrera de Biología.
En esta asignatura se abordan temas de máxima actualidad donde la principal
idea es desarrollar el conocimiento actual de la materia y las leyes que la rigen
como base de la organización de los seres vivientes y su entorno y las
relaciones entre ambas, los fundamentos de las respuestas de aquel, al
estimulo o a la agresión; que constituyen un bloque de conocimiento que
permite posteriormente el desarrollo de otras asignaturas. Por esta razón,
garantizar el éxito de los alumnos en esta etapa puede ser muy importante para
lograr el éxito en otras etapas de la carrera, razón que puede justificar el
aprendizaje correcto de esta asignatura.
Aptitudes y actitudes de los alumnos hacia la Física
La opinión generalizada de los estudiantes que se les asigna esta asignatura
es que la Física es innecesaria en su formación. Normalmente son alumnos que
han vivido y viven en un entorno social muy preocupado por los problemas
relacionados a sus carreras, sin embargo, no alcanzan a entender aún que el
Medio donde van a desarrollar sus actividades como profesionales está muy
relacionada con la física, que como tal, necesita del rigor científico.
Ante un problema determinado, este rigor debe hacer que comparemos
alternativas y decidamos entre las soluciones posibles mediante el análisis de
indicadores objetivos. La complejidad del mundo real y de los problemas que
plantea el desarrollo científico-tecnológico, representan sin duda un desafío a la
capacidad universitaria. En efecto, resulta cada vez más evidente la necesidad
de que esos problemas sean enfrentados con una perspectiva que integre
diversos puntos de vista, diferentes mentalidades, desde un enfoque
interdisciplinario. Al respecto, la ciencia y la tecnología de hoy han demostrado
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PROGRAMA BIOFISICA
reiteradamente que el impacto del conocimiento en la acción (y especialmente
en la solución de problemas prácticos), requiere de una fuerte interacción entre
las disciplinas implicadas y aún más, en algunos casos hace necesaria la
generación de nuevas disciplinas. De esta manera la interdisciplina de hoy se
convierte en la disciplina del mañana.
Para ello es necesario que el alumno de Medicina reciba una buena formación
en Física, conozca las leyes fisicoquímicas que rigen el comportamiento de
sistemas más complejos como el aparato cardiovascular, respiratorio y el
sistema de termorregulación. Paralelamente, los alumnos deben desarrollar las
habilidades y actitudes adecuadas para la realización de trabajo experimental,
así como la capacidad de interrelacionarse con las ciencias llamadas
Biomédicas las que determinarán el futuro desarrollo del conocimiento humano.
OBJETIVO GENERAL:
Se pretende ayudar al alumno a conocer aquellos principios básicos de la Física
esenciales para comprender las funciones de los sistemas biológicos,
analizando en cada fenómeno fisiológico, objeto de estudio, su comportamiento
físico y las leyes físicas que lo rigen, además hacer entender al estudiante de
Biología que la Biofísica estudia las propiedades físicas o atributos capaces de
ser medidos de todo aquello que esté en relación con los diferentes sistemas
biológicos y su evolución.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Al finalizar este curso se pretende que el estudiante logre:
1. El estudiante conceptúa e integra la relación entre leyes físicas, químicas y
biológicas, mediante el conocimiento de la estructura, organización y función
de las moléculas vivas.
2. Reconoce que la actividad biológica tiene un marco de referencia en las
leyes físicas, que explican el comportamiento de la materia.
3. Describe el fundamento físico de las funciones biológicas que permiten la
expresión ser humano, en relación a su entorno incluyendo la evolución y el
desarrollo del hombre.
4. Realiza la búsqueda de artículos referentes a un tema, utilizando vías de
acceso a Internet o revistas disponibles y es capaz de realizar una
exposición del mismo.
COMPETENCIAS
DIMENSIÓN CONCEPTUAL
 Describir los aspectos más importantes del funcionamiento de los sistemas
biológicos haciendo uso de los principios fundamentales de la Física.
 Explicar de forma panorámica las principales aplicaciones de la Física en los
seres vivos.
 Utilizar con éxito el método experimental de los fenómenos físicos al estudio
de sistemas biológicos.
DIMENSIÓN PROCEDIMENTAL
Al finalizar la presente asignatura, el estudiante debe poseer las siguientes
capacidades y habilidades:
 Resuelve problemas de aplicación relacionados al funcionamiento de
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sistemas biológicos usando los conceptos y leyes fundamentales de la física,
manifestando su capacidad de entender a través de esquemas, cuadros,
resúmenes y mapas conceptuales, los principales procesos físicos que
ocurren en los sistemas biológicos.
 Explica las principales aplicaciones de la biofísica para la biología en la
investigación de los fenómenos naturales, haciendo uso técnicas de
resúmenes, comentarios u otros esquemas de contenido y mediante el
trabajo en equipo.
 Usa adecuadamente técnicas y procedimientos, propios del método
científico, utilizando correctamente los equipos e instrumentos apropiados al
estudio de un determinado fenómeno biofísico.
DIMENSIÓN ACTITUDINAL
 Integra metódicamente la teoría y la práctica, reconociendo la importancia
del trabajo en equipo o grupal, valorando su importancia en la lógica del que
hacer científico y profesional.
 Valora y aprecia la puntualidad en la entrega de sus trabajos y en sus
actividades académicas.
 Participa en clase con espíritu constructivo mostrando una adecuada
pertinencia en la exposición de sus compañeros.
UNIDAD 1(Temas de la unidad. Copie y pegue las casillas de acuerdo al número de unidades)
TEMA
I. INTRODUCCION
Objetivos de la asignatura.
Aspectos generales: Tema 1. Introducción a la
Biofísica: Concepto, objetivos e importancia en
Biología. Antecedentes históricos y posibilidades de
desarrollo. Contribución histórica de la Física a la
Biología. La Biofísica en relación con otras ciencias y
especialidades.
Aspectos prácticos sobre el desarrollo del curso de
Biofísica. Método científico.
II. MATERIA Y ENERGIA: EL ATOMO
Reseña de la evolución del concepto sobre la
organización de la materia. Nivel físico. Materia y
Energía, estados físicos de la materia. Conceptos de
energía y sus formas de expresión. El átomo.
Estructura atómica, concepto actual. Partículas
subatómicas: el electrón y el protón, neutrones;
quarks. El núcleo atómico, cualidades: carga, masa,
spin. La energía del hombre es la expresión de la
energía de los elementos que la conforman.
III. TERMODINAMICA BIOLOGICA:
La biofísica y su aplicación al conocimiento de
las funciones de los organismos biológicos
La termodinámica de 1800 y su importancia actual.
Ciclos termodinámicos.
Concepto de sistemas: Aislado, cerrado, abierto.
Procesos de transformación de la energía.
La primera y la segunda Ley de termodinámica.
HORAS DE
CONTACTO
DIRECTO
HORAS DE
TRABAJO
INDEPENDIENTE
DEL ESTUDIANTE
SEM
1 hora
2 horas
1
3 horas
6 horas
1-2
6 horas
10 horas
3-4-5
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PROGRAMA BIOFISICA
Entalpía. Entropía.
Fundamentos microscópicos de la termodinámica.
Termodinámica Química y estadística, aplicación en
los seres vivos. Principios físicos de los sistemas de
control, Equilibrio dinámico y hemostasia.
Fundamentos físicos de las funciones biológicas:
Calor y temperatura:
Calor, concepto, medida de la intensidad de calor:
Temperatura. El calor y la actividad celular.
Transporte de electrones y protones en la membrana
mitocondrial. Transferencia de calor en el ser
humano.
Regulación celular de la temperatura.
Estado gaseoso, naturaleza de los gases:
Concepto, composición del aire. Diferencias entre:
Ventilación y respiración.
Leyes de los gases. Presión parcial. Difusión de
gases a través de líquidos y tejidos corpóreos
Composición de los gases en sangre y mecanismos
de transporte.
IV. Distribución de iones a través de las
membranas y actividad eléctrica: Definición. Tipos
de soluciones.
Las soluciones acuosas y la concentración por ciento;
por ciento / volumen y por ciento / peso.
Densidad y gravedad específica. Molaridad y
Molalidad.
Propiedades
coligativas
de
las
soluciones.
Osmolaridad y Osmolalidad.
Determinación de la Composición por "Freeze drying"
(liofilización).
IONES EN EL SISTEMA BIOLOGICO
Concepto. Energía de ionización, Disociación
electrolítica, Radio de hidratación, conductividad
ionica.
Consecuencias eléctricas. Na, K, Ca, Cl. Las
soluciones de electrolitos.
TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA
Propiedades físicas de las membranas y los solutos.
Transporte de solutos: Iones, moléculas pequeñas
no ionizables y macromoléculas.
Transporte de iones. Canal iónico; características
básicas de los canales iónicos y su conductancia.
Permeabilidad y Permeación.
Transporte "pasivo" y transporte activo. Transporte
"facilitado" o cotransporte.
La ATPasas de iones Na + K- ATPasa de K, ATPasa
de Ca, ATPasas de protones. Transporte en contra
de gradiente. Comentarios.
V. ACTIVIDAD ELÉCTRICA DE LAS MEMBRANAS.
FUERZA
ELECTROMOTRIZ.
Concepto
de
electricidad. Carga eléctrica. Ley de Coulomb.
Campo eléctrico y potencial eléctrico.
Corriente continua y alterna; Voltaje. Conducción
Eléctrica. Resistencia. Excitabilidad eléctrica y
canales
iónicos.
Aislantes
y
conductores.
Campos
4 horas
10 horas
7-8
4 horas
8 horas
9-10
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PROGRAMA BIOFISICA
magnéticos. Importancia en los seres biológicos.
Equilibrio en celdas electroquímicas. Potenciales
químicos. Diagramas de celda. Tipos de celda.
Energía
de Gibbs y potenciales de celda. Ecuación de Nernst.
Potenciales de electrodo. Clases de electrodos.
Electrodos
redox.
Clasificación
de
celdas
electroquímicas.
Actividad eléctrica y membranas biológicas. Los
transportes electrogénicos y las membranas
biológicas.
Superconducción biológica. El par de Cooper. El
SQUID.
VI.
DINÁMICA
DE
LOS
FLUÍDOS
EN
COMPARTIMENTOS
Noción de la teoría de Sistema de control y su
aplicación en Biología: el "Feedback" negativo,
Ejemplos.
Traducción y transmisión de información. Ejemplos.
Revisión de la teoría de compartimentos, su
aplicación en Biología y el concepto actual. Los
sistemas de
Uno, dos y tres compartimentos. Análisis de los
comportamientos anatómicos de los fluidos
corporales.
Subdivisión química. Interrelaciones funcionales. Los
fluidos corporales como Fases. Fuerzas y
mecanismos que se observan en los recambios de
fluidos: Presión Hidrostática y transporte activo.
Recambio con el medio ambiente. Intercambio entre
fases extracelulares e intercelulares y su entorno.
Conducta osmótica de la célula.
Comentario sobre el equilibrio de Gibbs-Donnan,
Fuerzas de Starling. Ecuación de Bernouilli.
Fenómeno
de Venturi.
VII. VISCOSIDAD
Concepto.
Algunas
definiciones:
Viscosidad,
dinámica. Viscosidad de las soluciones: relación de
viscosidad. Número de viscosidad. Referencia a la
viscosidad. Ley de Pouseuille-Hagen. Referencia a la
viscosidad del agua y su variación con la
temperatura.
Revisión de la viscosidad de la sangre y plasma
normal. La viscosidad de algunos fluidos corporales.
Viscosidad en la bicapa de fosfolípidos. Comentarios
pertinentes a la interpretación de la viscosidad in
vivo.
TENSIÓN SUPERFICIAL
Concepto de superficie e Interfase: La tensión
superficial. La tensión superficial de los líquidos. La
energía de la superficie. Medición de la tensión
superficial. Elevación y depresión capilar. El ángulo
de
contacto. La ecuación de Laplace y su aplicación.
Balance de superficie. Superficie de la membrana
celular.
2 horas
2 horas
6 horas
6 horas
12
13
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PROGRAMA BIOFISICA
Los fosfolípidos y su acción sobre la tensión
superficial del agua. Los detergentes. Interfase
líquidograsa.
Características físico - químicas de la interfase
sangre- epitelio - aire.
Agentes tensioactivos. El sistema surfactante:
Estructura Molecular. Participación de las células del
alvéolo pulmonar en el mantenimiento del mismo.
Variaciones que ocurren en el transporte y síntesis de
moléculas en diversas edades de la vida.
VIII. ONDAS. Radiación no Corpuscular: Fotones;
Luz y Difracción. espectroscopia atómica
Fenómeno ondulatorio, Tipos de ondas. Dispersión,
interferencia y difracción, reflexión y refracción,
Superposición, ondas sinusoidales, estacionarias.
Naturaleza de la luz. Polarización de la luz, la visión.
Fotoquímica: La rodopsina. Regiones Espectrales.
Absorción de la luz. Ley de Lambert-Beer. Efecto
fotoeléctrico: Rayos X. Láser
Ejemplos
de
espectros
atómicos:
sistemas
monoelectrónicos. Sistemas bielectrónicos (los
alcalinotérreos). Espectroscopia de rayos X
Radiación Ultravioleta, clasificación y efectos
Biológicos. Aplicación biomédica.
Comentarios sobre los espectros de absorción de
proteínas y ácidos nucleicos. Conceptos actuales y
aplicación en la actividad de las moléculas que
integran las células: el fotón y la activación de genes.
VIBRACIONES-ONDAS MECANICAS:
Fenómenos vibratorios, ondas, clases, sonido y
emisión, intensidad y resonancia. La voz humana y
mecanismos de audición. El sonido, ondas
mecánicas longitudinales, velocidad del sonido.
Intensidad, la
voz humana. Efecto Dopler, y aplicación.
Clasificación del sonido y sus efectos biológicos:
Infrasonidos y
efectos contaminantes. Sonido audible, ultrasonidos y
aplicaciones biomedicas. Resonancia magnética
nuclear.
4 horas
10 horas
1415
METODOLOGIA (Debe evidenciarse el empleo de nuevas tecnologías de apoyo a
la enseñanza y al aprendizaje)
Clases teóricas y de problemas, estos problemas serán planteados en el aula
de clase, donde los estudiantes a través de la intuición plantearán la posible
solución. Prácticas de laboratorio y seminarios. Lecturas y exposiciones.
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PROGRAMA BIOFISICA
SISTEMA DE EVALUACIÓN:
Las evaluaciones serán de dos tipos:
Las prácticas de laboratorio, con una evaluación continuada y tomando como
base la ejecución de todas y cada una de las prácticas que el alumno va
realizando y talleres que serán evaluados a través de seminarios. Lecturas y
exposiciones de temas relacionados con el área de saber tendrán un porcentaje
de calificación dentro de la parte de talleres.
Una prueba (examen escrito) referida a contenidos teóricos del programa y
problemas planteados como talleres.
BIBLIOGRAFIA BASICA:
FRUMENTO, A.S. Biofísica 3ª edición. Mosby-Doyma. 1995.
GONZÁLEZ IBEAS, J., “Introducción a la Física y Biofísica”. Alhambra, Madrid,
1974.
PARISI, M. Temas de Biofísica. McGraw Hill Interamericana. 2001.
DIEZ DE LOS RIOS, A., “Introducción a la Biofísica y a la Física Médica”,
Universidad de Málaga, 1983.
CROMER, A.H., “Física para las ciencias de la vida”. Reverte, 1982.
ORTUÑO ORTIN, M. E. D. GRIJALBO MONDADORI, Física Para Biología,
Medicina, Veterinaria y Farmacia S.A. Barcelona. 1996.
ZARAGOZA, J.R. Física e Instrumentación Medicas 2º edición. Ed. MassonSalvat. 1992.
JOU, D.- LLEBOT, J.E.- PÉREZ GARCÍA, C., Física para las ciencias de la vida”.
Schaum, McGraw Hill. 1986
MAC DONALD, G.S.- BURNS, D.M., “Física para las ciencias de la vida y la salud”.
Fondo Educativo Interamericano, 1978.
JIMÉNEZ-VARGAS, J. Y MACARULLA, J.M. Fisicoquímica Fisiológica.
Interamericana.
KANE, J.W. Y STERNHEIM, M.M. Física. Reverté.
RHOADES, R.A., TANNER G.A. Fisiología Médica. Masson-Little, Brown.
GUYTON Y HALL. Tratado de Fisiología Médica McGraw-Hill – Interamericana
STROTHER, G.K. Física Aplicada a las Ciencias de la Salud Ed. McGraw-Hill
Latinoamericana. Bogotá 1981.
ARTIGAS, J.M. Y OTROS. Óptica Fisiológica Interamericana McGraw-Hill. 1995.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA
MARION, J.B., “General Physics with bioscience essays”.