Biofísica
La biofísica aplica los métodos y leyes de la física al estudio de los procesos de los seres vivos.
La biofísica es la ciencia que aplica los métodos, las leyes y los instrumentos de la física al estudio de los seres vivos. Analiza cómo se mueven las moléculas, cómo se generan las señales eléctricas en las neuronas, cómo circula la sangre o cómo una proteína adopta su forma. Es una disciplina puente entre la física, la química y la biología.
¿Qué es la biofísica?
El término procede del griego bios («vida») y physis («naturaleza»). La biofísica busca explicar los fenómenos biológicos en términos de magnitudes físicas: fuerzas, energía, presión, campos eléctricos, difusión, radiación. Para ello combina la experimentación con la modelización matemática.
Sus raíces están en el siglo XVIII, cuando Luigi Galvani observó que los músculos de una rana se contraían con estímulos eléctricos. En el siglo XIX, Hermann von Helmholtz midió la velocidad de conducción del impulso nervioso. En el siglo XX, la difracción de rayos X permitió descubrir la estructura del ADN y de las primeras proteínas, y en 1952 Alan Hodgkin y Andrew Huxley describieron matemáticamente el impulso nervioso en el axón gigante del calamar, un trabajo por el que recibieron el Nobel de Fisiología o Medicina en 1963.
Ramas de la biofísica
| Rama | Objeto de estudio | Ejemplo |
|---|---|---|
| Biofísica molecular | Estructura y dinámica de proteínas, ácidos nucleicos y lípidos | Plegamiento de una proteína |
| Biofísica de membranas | Transporte e intercambio a través de la membrana celular | Canales iónicos, bombas de sodio-potasio |
| Neurobiofísica | Excitabilidad eléctrica de las neuronas | Potencial de acción |
| Biomecánica y hemodinámica | Fuerzas y flujos en tejidos y órganos | Presión arterial, marcha, resistencia de los huesos |
| Biofísica de la radiación | Efectos de la radiación sobre la materia viva | Daño por radiación ultravioleta, radioterapia |
| Biofísica sensorial | Procesos físicos de la percepción | Óptica del ojo, mecánica del oído |
Técnicas y herramientas
- Difracción de rayos X: permite deducir la disposición atómica de cristales de proteínas o ácidos nucleicos.
- Resonancia magnética nuclear (RMN): determina estructuras moleculares en disolución; su versión en imagen se usa en diagnóstico clínico.
- Criomicroscopía electrónica: obtiene imágenes casi atómicas de complejos moleculares congelados rápidamente; su desarrollo fue reconocido con el Nobel de Química de 2017.
- Pinzas ópticas y microscopía de fuerza atómica: manipulan y miden fuerzas sobre moléculas individuales.
- Patch-clamp: técnica de Erwin Neher y Bert Sakmann (Nobel 1991) que registra la corriente de un único canal iónico.
- Espectroscopia y fluorescencia: detectan cambios en las moléculas mediante la luz que absorben o emiten.
Fenómenos que explica
El potencial de membrana y el impulso nervioso
Las células mantienen una diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior gracias a la distinta concentración de iones y a la permeabilidad selectiva de la membrana. En una neurona en reposo ronda los −70 mV. Cuando se abren canales de sodio y luego de potasio, el potencial cambia bruscamente y se propaga por el axón: es el potencial de acción.
El transporte a través de membranas
La difusión y la ósmosis son procesos físicos que mueven agua y solutos sin gasto de energía. Otros, como la bomba de sodio-potasio, requieren ATP para mover iones en contra de su gradiente.
La estructura de las biomoléculas
Una proteína se pliega en una forma tridimensional determinada por fuerzas físicas: enlaces de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas, fuerzas de van der Waals. Predecir esa forma ha sido uno de los grandes retos de la biofísica computacional.
La circulación y la respiración
La sangre circula siguiendo principios de la mecánica de fluidos: la ley de Poiseuille muestra que el flujo depende de forma muy marcada del radio del vaso (a la cuarta potencia), por lo que un pequeño estrechamiento arterial reduce mucho el caudal.
Aplicaciones
- Diagnóstico por imagen: radiografía, ecografía, tomografía computarizada, resonancia magnética y PET.
- Registro de señales: electrocardiograma, electroencefalograma y electromiograma miden la actividad eléctrica del corazón, el cerebro y los músculos.
- Terapias: radioterapia, láser, marcapasos, desfibriladores.
- Diseño de fármacos: conocer la estructura de una proteína diana permite diseñar moléculas que encajen en ella.
- Biotecnología: biosensores, secuenciación de ADN por nanoporos, ingeniería de tejidos.
Ejercicios resueltos
1. La concentración de K⁺ es de 140 mM dentro de una neurona y de 5 mM fuera. Calcula el potencial de equilibrio del potasio a 37 °C con la ecuación de Nernst simplificada: E = (61,5 mV / z) · log([ion]ext / [ion]int).
Para el K⁺, z = +1. E = 61,5 · log(5/140) = 61,5 · log(0,0357) = 61,5 · (−1,447) ≈ −89 mV. El signo negativo indica que el interior es negativo respecto al exterior cuando el potasio está en equilibrio.
2. Un vaso sanguíneo reduce su radio a la mitad por una placa de ateroma. Según la ley de Poiseuille (el flujo es proporcional a r⁴), ¿cuánto disminuye el caudal si no cambian la presión ni la viscosidad?
El flujo pasa a ser (1/2)⁴ = 1/16 del inicial. El caudal se reduce a una dieciseisava parte (un 6,25 %), es decir, cae un 93,75 %.
Preguntas frecuentes
¿Qué estudia la biofísica?
¿Es lo mismo biofísica que bioquímica?
¿Qué se estudia en la carrera de biofísica?
¿Qué relación tiene la biofísica con la medicina?
¿Quiénes son científicos destacados de la biofísica?
Referencias
- Nelson, P. Biological Physics: Energy, Information, Life. W. H. Freeman.
- Hobbie, R. K. y Roth, B. J. Intermediate Physics for Medicine and Biology. Springer.
- Hodgkin, A. L. y Huxley, A. F. (1952). «A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve». Journal of Physiology, 117, 500-544.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2025). «Biofísica». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/biologia/biofisica/
