Biofísica

Física de sistemas biológicos, moléculas, membranas, transporte, biomecánica y señales biológicas.

Idea general del tema

La biofísica investiga los procesos vitales utilizando los conceptos, leyes y métodos cuantitativos de la física: termodinámica de sistemas abiertos fuera del equilibrio, mecánica estadística macromolecular, electrofisiología de membranas celulares e hidrodinámica a bajo número de Reynolds. Los seres vivos son sistemas físicos abiertos que disipan energía libre para mantener estructuras altamente ordenadas (estructuras disipativas de Prigogine) desafiando localmente la entropía máxima.

Este nodo agrupa el potencial de membrana (ecuación de Nernst-Planck y Goldman-Hodgkin-Katz), propagación del impulso nervioso (modelo de Hodgkin-Huxley), termodinámica de polímeros biológicos (ADN, proteínas) y motores moleculares (kinesina, ATP sintasa).

Que vas a comprender de verdad

Comprenderás cómo los gradientes electroquímicos de iones ($Na^+, K^+, Cl^-$) a través de la membrana lipídica celular generan un potencial de reposo de unos $-70\text{ mV}$, que al despolarizarse produce una onda de potencial de acción todo o nada gobernada por conductancias iónicas dependientes de voltaje.

Aprenderás a modelar la elasticidad entrópica del ADN mediante el modelo de cadena libremente articulada (FJC) y la cadena helicoidal elástica (WLC).

Ruta didáctica recomendada

1. Termodinámica de membranas y transporte: difusión de Fick, ósmosis, ecuación de Nernst y potencial de Goldman-Hodgkin-Katz.
2. Electrofisiología celular: capacitancia de membrana, circuito equivalente RC, ecuaciones de cable neuronal y modelo de Hodgkin-Huxley.
3. Mecánica estadística de macromoléculas: elasticidad entrópica del ADN, transiciones hélice-ovillo y plegamiento conformacional de proteínas.
4. Biofísica molecular y motores celulares: movimiento browniano a bajo número de Reynolds (vida sin inercia), difusión rotacional y motores moleculares de ATP.

Criterio físico que debes adquirir

Comprender que en la escala celular la inercia es completamente irrelevante ($Re \ll 1$), de modo que el movimiento biológico está dominado por la fricción viscosa y las fluctuaciones térmicas estocásticas brownianas.

Conexión con problemas reales

• Neurofísica y diseño de interfaces cerebro-computador (BCI).
• Nanomedicina y liberación controlada de fármacos mediante nanopartículas lipídicas.
• Microscopía de pinzas ópticas y de fuerza atómica (AFM) para manipular moléculas individuales de ADN.

Meta final del tema

Dominar los principios termodinámicos, eléctricos y mecánicos de la biofísica para modelar procesos celulares y macromoleculares con rigor cuantitativo.