I Zjazd 29.09.2007r.
Biografia :
1. Biofizyka pod redakcją Feliksa Garoszyka
wyd. lekarskie Ww-a 2001, 2002r. ISBN – 83-200-2722-5.
2. Wybrane zagadnienia z Biofizyki pod redakcją Stanisława Miękisza Andrzeja Hendricka.
Tematy wykładów :
1. Elementy biofizyki molekularnej ( wybrane właściwości fizyczne biopolimerów, metody badania struktury wewnątrz i międzycząsteczkowe oddziaływania strukrurujące, rola wody ).
2. Termodynamika układów biologicznych ( układy termodynamiczne, funkcje stanu, zasady termodynamiki, stany równowagi , postawy bioenergetyki, stany równowagi, problemy transportu, układy otwarte stan stacjonarny, procesy sprzężone, źródła entropii, funkcja dyspacji, termodynamika procesów życiowych, pierwsza zasada a procesy przemiany materii ). Organizm żywy jako układ otwarty w stanie stacjonarnym, fluktacji, struktury dysspacyjne, reprodukcja, selekcja, ewolucja.
3. Elementy teorii informacji i podstawy biocybernetyki ( elementy teorii informacji, jednostka informacji, kod, ilości informacji i jej związek z entropią, łącze informacyjne, przesyłanie i magazynowanie informacji w żywych organizmach, redundacja, przepustowość i gęstość informacji).
4. Elementy biofizyki, komórki ( fizyczne metody badania komórek, błony biologiczne, struktura, procesy transportu, transport aktywny, problem bioenergetyki). Błony pobudliwe ( potencjał spoczynkowy, potencjał czynnościowy, prądy jonowe, depolaryzacja i hyperpolaryzacja, właściwości elektryczne komórek ).
5. Biofizyka tkanki nerwowej.
6. Biofizyka tkanki mięśniowej.
7. Biofizyka układu krążenia ( dynamika krążenia, opór naczyniowy, rozkład ciśnienia i prędkość przepływu, właściwości lepko- sprężyste naczyń, fala tętna, modele układu krwionośnego, energetyka układu krążenia, praca i moc serca).
8. Biofizyka układu oddechowego( mechanizm fizycznej wentylacji płuc, energetyka układu oddechowego, podstawy fizyczne wymiany gazowej).
9. Problemy zjawisk transportu ciepła ( mechanizmy transportu ciepła, transport ciepła w żywym organizmie oraz między organizmem a otoczeniem, zagadnienia termoregulacji).
10. Biofizyka zmysłu wzroku ( przekazywanie informacji, barwnik światłoczuły i zmiany w jego strukturze, widzenie barwne, bioenergetyka procesu widzenia, czynności bioelektryczne oka).
11. Biofizyka zmysłu słuchu ( charakterystyka fizyczna narządu słuchu, ucho jako przewodnik sygnałów akustycznych oraz przekaźnik informacji, rola ucha środkowego i wewnętrznego w procesie słyszenia, czynność elektryczna ucha, infradźwięki, ultradźwięki, wibracje).
12. wpływ czynników fizycznych na żywy organizm. Podstawy fizyczne wybranych metod diagnostycznych i terapeutycznych ( wpływ PEM na żywy organizm, zastosowanie PEM w medycynie, promieniowanie termiczne i luminiscencyjne, prawa promieniowania termicznego, podstawy termografii, fizyczne podstawy radiobiologii, wpływ zmiennego ciśnienia i temperatury na żywy organizm, fizyczne podstawy medycyny nuklearnej). Podstawy diagnostyki obrazowej ( ultrasonografia, tomografia komputerowa).
II Zjazd 13.10.2007r.
1. Układ izolowany – brzeg układu ma takie właściwości że uniemożliwia materialnie i energetycznie z otoczeniem.
2. Układ zamknięty – następuje wymiana energii pomiędzy układem a otoczeniem nie występuje wymiana materii.
3. Układ otwarty – dopuszczana jest wymiana zarówno energii jaki materii pomiędzy układem a otoczeniem.
Układy otwarte dzieli się z kolei na trzy rodzaje układów :
a). 1 typ dotyczy układów w stanie zbliżonym do stanu równowagi termodynamiki,
b). 2 typ charakteryzuje się tym że prąd dopływa do układu całkowitej energii nie jest większy od układów rozpraszania,
c). 3 typ prąd dopływający całkowitej energii jest większa od dyspozycji energetycznej.
Proces uważa się za odwracalny, jeśli może zachodzić zarówno w pewnym kierunku przeciwnym a wracając do stanu wyjściowego nie pozostawiając zmian w otoczeniu. Do procesów odwracalnych zalicza się procesy kolorowe oraz procesy quasi ( statyczne ).
Energia wewnątrz układu ( U ) związana jest z nieuporządkowanym ruchem elementów strukturalnych układów. ( Ek ) oraz potencjał ( EP ) wzajemnego oddziaływowania składowych elementów układu zgodnie z wzorem ( na dole ):
PRAWO HASSA – ciepło reakcji nie zależy od sposobu jej prowadzenia lecz od stanu początkowego i końcowego.
1. Pierwsza zasada termodynamiki ( entalpia ) – Prawo Hessa. Energia wewnętrzna może być przekazywana od 1 do 2 układu w procesie wykonywanej pracy, energii przekazywanej pracy. Proces przebiegać będzie zgodnie z zasadą zachowania energii. Wyraża to 1 zasada termodynamiki. Przyrost energii wewnętrznej układu ( U2 – U1 ) jest równy sumie dostarczanego mu ciepła i dostarczanej pracy W, co można wyrazić wzorem :
U2 – U1 = + W lub = ( U2 – U1 ) + ( W )
2. Druga zasada termodynamiki w układzie izolowanym. Proces może powodować TYLKO wzrost energii.
3. Trzecia zasada termodynamiki Entopia każdego ciała doskonale jednolitego stanowi O w temperaturze O K.
T à O
Entopia : S = k LnW ( K = stała Boltzmana ).
Entropia organizmu człowieka w różnych okresach jego życia
Potencjał dyfuzyjny różnica przemieszczenia się anionów i kardionów
zjawisko osmozy zasada działania osmometru
bodźcem przepływu rozpuszczalnika jest A – rozpuszczalnik
różnica potencjałów chemicznych B – roztwór pgh ciśnienie
hydrostatyczne.
substancja masa cząsteczek promień cząsteczek współczynnik A x szybkość
r ( nm ) P2 x 10 ( ) ( cm ) dyfuzji T
woda trytowa 20 0,15 2,06 25,7 24,5
mocznik 60 0,18 1,18 - 32
metionina 149 0,330 0,65 18,5 108
kortyzon 402 0,535 0,40 16,9 182
tyroksyna 776 0,738 0,29 12,8 350
witamina B12 1356 0,974 0,22 9,6 610
Zasada termodynamiki w procesach biologicznych – entropia organizmu żywego, stanowiąca układ otwarty zmienia się zgodnie z zasadą termodynamiki w postaci np.:
1. Przez błonę komórek odbywa się transport bierny ( do wyrastania stężeń ).
Transport czynny ( przeciw różnica stężeń ) polega że substancja jest fragmentem białka.
III. Wykład 27.10.2007r.
TEORIA PRZESYŁANIA INFORMACJI.
Kanał przesyłowy informację – to powietrze. Wytworzenie informacji np. słowa, litery, obrazy, kształty, dźwięk. Kanał informacyjny w naszym organizmie to między innymi KREW. Źródłem informacji jest np. narząd, organ, który przez krew wysyła informację do innego narządu, więc kanały przesyłu mogą być różne. Kanałem przesyłowym może być również układ nerwowy ( może wysyłać przez inne komórki nerwowe impulsy). Sygnały mogą być przesyłane przez kanał powietrzny. Zakłócenia nad kanałem powietrznym np. jadący samochód, hałas itp. Są to zakłócenia niekorzystne.
Zakłócenia korzystne – np. ból, zmiany skórne odbierane są przez system nerwowy i następnie następuje reakcja bólowa. Najbardziej wyraziste i odporne na zakłócenia są sygnały dwójkowe np. TAK – NIE, system bitów.
Informacja o temperaturze środowiska zewnętrznego np. ( receptory organizmu ludzkiego, które odbierają informację i przekazują dalej do systemu nerwowego i odbiorników utleniania glukozy w naszym organizmie ).
Gęstość informacji – to ilość bitów przekazywana w czasie, jeżeli informacji jest za dużo. To zbiornik, który nie jest w stanie ich przyjąć.
Lejek informacji – to organizm informacji wykorzystywanych np. ( przez słuch do 50 bitów na sekundę ).
TRANSPORT AKTYWNY.
Transport aktywny pierwszego rodzaju ( pierwotny )
Transport aktywny, w przeciwieństwie do transportu biernego, odbywa się przeciwnie do aktualnie istniejących bodźców – wymaga zatem nakładu energii. System transportu aktywnego wymaga zaangażowania nośników – białek transportujących, wykazujących specyficzność w stosunku do określonej substancji. Podstawowy model transportu aktywnego za pomocą nośników zakłada, że związane przez białko przenoszące transportowane substancji powoduje zmianę konformacji nośnika w taki sposób, że początkowo wiążące miejsce na nośniku znajduje się po jednej stronie błony, a następnie, po zmianie konformacji po jej drugiej stronie. Ponadto, powinowactwo chemiczne miejsca wiążącego na nośniku dla wiązanej substancji jest inne, gdy miejsce to ma kontakt ze środowiskiem zewnątrzkomórkowym i inne gdy ma ono kontakt ze środowiskiem zewnątrzkomórkowym. Ta różnica w powinowactwie chemicznym jest odpowiedzialna za zdolność nośników do przenoszenia substancji z jednej na drugą stronę błony.
Kierunek transportu aktywnego odbywa się z obszaru, gdzie powinowactwo chemiczne nośnika do przenoszonej molekuły jest wyższe do, gdzie jest ono niższe. Rolą energii w tym procesie jest utrzymanie różnic powinowactwa chemicznego nośnika po obu stronach błony. Jeśli źródłem energii jest rozpad cząsteczek kwasu adenozynotrifosforowego
( ATP ), to proces jest kwalifikowany jako transport aktywny pierwszego rodzaju. Jednym z lepiej poznanych białek transportujących jest adenozynotrifosfataza aktywowana jonami sodu i potasu ( Na K ATPaza ). Mechanizm aktywnego transportu jonów Na i K , w którym pełni ono kluczową rolę, nazwano pompą sodowo – potasową. Ilustracje pracy pompy sodowo - potasowej przestawia się w formie cyklu następujących po sobie zdarzeń :
Cykl rozpoczyna się przyłączeniem do fragmentu Na K ATPazy, znajdującego się w wewnątrz komórki, trzech jonów Na oraz cząsteczki ATP, która uległa rozpadowi na grupę fosforową HPO4 , pozostająca związaną z fragmentem Na K ATPazy ( proces ten nazywany jest fosforylacją ) i ADP, które oddysocjowuje od niej. W wyników przyłączenia jonów Na i fosforylacji Na K ATPaza ulega serii zmian konformacyjnych, w wyniku których jon Na zostaje przeniesiony na zewnątrz komórki i tam uwolniony. Następnym etapem pracy pompy jest przyłączenie jonów K do fragmentu Na K ATPazy znajdującego się po zewnętrznej części błony. Towarzyszy temu odłączenie grupy fosforanowej ( defosforylacja ), efektem czego jest cykl przemian konformacyjnych, w wyniku którego jon K przeniesione zostają do wnętrza komórki i uwolnione. Makromolekuła Na K ATPazy przyjmuje swój pierwotny kształt i staje się gotowa do zapoczątkowania następnego cyklu pracy.
Transport aktywny drugiego rodzaju ( wtórny )
Wytwarzanie lub utrzymywanie gradientu stężenia wbrew zmniejszającej go dyfuzji wymaga nakładu energii. Zatem w wyniku transportu aktywnego pierwszego rodzaju energia jest gromadzona w układzie w formie różnicy stężeń i może zostać uwolniona, gdy strumień substancji przepływa w kierunku od stężenia większego do mniejszego. W tym sensie gradient stężenia określonych jonów stanowić może źródło energii. Jeśli biernym przepływem jonów ( uprzednio aktywnie odseparowanych ) sprzężony zostaje transport innej substancji w kierunku od obszaru, gdzie jej stężenie jest mniejsze od obszaru o jej większym stężeniu, to tego rodzaju transport klasyfikowany jest jako transport aktywny drugiego rodzaju. W błonie komórkowej komórek zwierzęcych jon Na wnikają do wnętrza komórki zgodnie z gradientem ich potencjału elektrochemicznego i w wyniku działania Na K ATPazy są aktywnie transportowane na zewnątrz komórki w celu utrzymania tego gradientu. Ponowny przepływ Na do wnętrza jest zatem możliwy i jeśli sprzężony zostanie z nim ( poprzez użycie tego samego nośnika ) transport innej substancji, to stanie się możliwy jej transport wbrew gradientowi potencjału elektrochemicznego. Komórki nabłonka jelita cienkiego właśnie na opisanej wyżej zasadzie absorbują z przestrzeni wewnątrzjelitowej cukry i kwasy nukleinowe. Przenoszone substancje oraz Na wiązane są do różnych specyficznych miejsc białka nośnika i następnie ,, wciągane „ do wnętrza komórki. Transport glukozy ze światła jelita do wnętrza komórek nabłonka rośnie wraz ze stężeniem jonów Na w świetle jelita. Białko transportujące glukozę najprawdopodobniej posiada miejsce wiążące zarówno dla glukozy, jaki dla Na , tym większy jest strumień przenoszonej substancji. Równie istotną rolę w transporcie aktywnym drugiego rodzaju odgrywa gradient potencjału elektrochemicznego jonów wodoru H .
Rola transportu aktywnego w regulacji ciśnienia osmotycznego.
Pompa sodowo – potasowa, wyprowadzając z wnętrza komórki 3 jony Na i wprowadzając 2 jony K , powoduje w rezultacie wypadkowy przepływ prądu elektrycznego przez błonę, wytwarzając różnicę potencjałów elektrycznych między wewnętrzną i zewnętrzną częścią błony. Jednak efekt ten ma niewielki wpływ na powstanie potencjału błonowego. Pompa sodowo – potasowa odgrywa poza tym ważną rolę w regulacji objętości komórki. Wpływa ona na liczbę jonów K i Na wewnątrz komórki, a tym samym – na wartość ciśnienia osmotycznego cytoplazmy w porównaniu z ciśnieniem osmotycznego płynu pozakomórkowego decyduje o rozmiarach komórki – jej kurczeniu się lub pęcznieniu. Komórka zawiera występujące w dużym stężeniu organiczne i nieorganiczne jony równoważące ładunek elektryczny związany z obecnością makrocząsteczek białek obdarzonych ładunkiem elektrycznym. W rezultacie ciśnienie osmotyczne wewnątrz komórki staje się większe niż w płynie zewnątrzkomórkowym. Wynikiem tego jest silna tendencja do przechodzenia wody z przestrzeni międzykomórkowej do wnętrza komórki. Aby zapobiec temu procesowi, który może prowadzić do pęcznienia komórki i w końcowym efekcie do rozerwania błony komórkowej, w płynie międzykomórkowym utrzymywane musi być dostatecznie duże stężenie jonów nieorganicznych – głównie sodu i chloru. Jony sodu, zgodnie z ich silnym gradientem elektrochemicznym, wnikają do wnętrza komórki – pompa sodowo – potasowa utrzymuje równowagę osmotyczną, wypompowując je na zewnątrz.
Wnikanie jonów Cl z przestrzeni międzykomórkowej, gdzie ich stężenie jest duże, do wnętrza komórki jest ograniczone przez istnienie różnicy potencjałów elektrycznych w poprzek błony ( potencjału błonowego ). Ujemny pohamuje wnikanie ujemnych jonów chloru do wnętrza komórki. Potwierdzeniem roli, jaką pełni pompa sodowo – potasowa w regulacji objętości komórek jest obserwacja zmian objętości komórek, w wyniku zablokowania aktywności pompy – prowadzi to zwykle do pęcznienia komórek i pękania ich błon komórkowych.
Dynamika procesów transportu.
Przy określonej różnicy bodźców o szybkości transportu cząsteczek danej substancji do lub na zewnątrz komórki decydują właściwości błony – głównie jej przepuszczalności. Różne błony wykazują różne przepuszczalności dla tej samej substancji, w zależności od rodzaju tkanki. Gdy przepuszczalność błony jest duża, wyrównywanie stężeń odbywa się szybko. Wraz ze zmniejszeniem się przepuszczalności błony czas, po którym dochodzi do wyrównania stężeń wewnątrz i zewnątrz komórki, wydłuża się. Cząstki A i B i w mniejszym stopniu C przenikają przez błonę – oznacza to dużą przepuszczalność błony dla tych cząstek. Dla cząstek D oraz E błona posiada znacznie mniejszą przepuszczalność – przechodzą one przez błonę wolniej. Czynnikiem pozwalającym odróżnić prostą dyfuzję od transportu, w którym pośredniczą białka transportujące, jest reakcja pomiędzy wartością strumienia a wartością wywołującego go bodźca termodynamicznego.
Omówione pokrótce procesy transportu są zagadnieniem niezwykle istotnym z punktu widzenia fizjologii organizmów żywych. Zakłócenie transportu przez błony prowadzić może do wielu poważnych chorób, natomiast oddziaływania na transport – przyspieszenia go lub zwolnienia – wykorzystana może być do walki z drobnoustrojami. To właśnie antybiotyki, zakłócają transport, niszczą organizmy bakteryjne. Wiele mechanizmów związanych z procesami transportu przez błony czeka nadal na wyjaśnienie.
6
Rainhardt