BIOCHEMIA I BIOFIZYKA. Zakład Biofizyki CM UJ

Transkrypt

1 BIOCHEMIA I BIOFIZYKA

2 Koordynator: prof. dr hab. Eugeniusz Rokita Prowadzący: dr Bartosz Lisowski 15 h wykłady (5 x 3h 20. XI, 27.XI, 4.XII, 11.XII, 18.XII) 7.5 h samokształcenie

3 Zasady zaliczenia przedmiotu Kolokwium zaliczeniowe: czas 45 minut 30 pytań testowych, test jednokrotnego wyboru, materiał omawiany na wykładach i uwzględniony w ramach samokształcenia, wymagane 60% poprawnych odpowiedzi, czyli 18 punktów kolokwium będzie przeprowadzone na tych samych zasadach w dwóch terminach, I-szy i II-gi termin do uzgodnienia Zaliczenie całego przedmiotu: średnia z ocen otrzymanych z 2 części: (BIOFIZYKA + BIOCHEMIA)/2 Informacje tablica ogłoszeń Zakładu Biofizyki (CD-K CM UJ, Łazarza 16, I piętro, 201) strona Zakładu Biofizyki: biofizyka.cm-uj.krakow.pl

4 Wykład 1 Podstawy biofizyki, elementy termodynamiki

5 Zagadnienia 1) Zasady zaliczenia przedmiotu 2) Podstawowe wielkości fizyczne i ich jednostki 3) Termodynamiczny opis organizmu 4) Mechanizmy wymiany ciepła i bilans cieplny organizmu 5) Przemiana materii 6) Temperatura i jej pomiary 7) Transport przez błony, dyfuzja

6 Biofizyka Organizmy żywe, w tym organizm ludzki podlegają oddziaływaniom fizycznych czynników zewnętrznych (temperatura, promieniowanie, przyśpieszenia ). Organizmy działają nie tylko zgodnie z prawami biologii i chemii, ale również FIZYKI.

7 Biofizyka BIOFIZYKA to dziedzina nauki zajmująca się fizycznymi aspektami działania organizmów żywych i ich oddziaływania ze środowiskiem.

8 Jednostki Pomiary wykonuje się w wielu dziedzinach, również w medycynie. Większość badań stosowanych w diagnostyce są pewnego rodzaju pomiarami. Pomiar, to porównanie interesującej nas wielkości z wzorcem. Podając wyniki pomiaru musimy określić wartość liczbową, ale również określić rodzaj zastosowanego wzorca, czyli podać JEDNOSTKĘ.

9 Jednostki w układzie SI Podstawowe Pochodne m, kg, s, A, K, cd, mol, radian, steradian Hz, N, W, m 2, kg/m 3 Pozaukładowe min, h, rok, o C, mmhg

10 Jednostki pochodne Jednostki pochodne są tworzone z podstawowych w oparciu o definicje i prawa fizyczne. II zasada dynamiki: F ~ a F = m a prawo Ohma: I ~ U 1N= 1kg 1m 1s² U I= R= R U I 1V 1 Ω= 1A = 1kg 1m² 1A² 1s³ 1W 1J 1kg 1m² 1V= = = 1A 1A 1s 1A 1s³

11 Metr Siatka centylowa wzrostu chłopców 90% 50% 10% Wzrost [cm] A.D Wiek [lata] 1m

12 Siatka centylowa wzrostu dziewczynek % 50% 10% 1m Wzrost [cm] Wiek [lata]

13 Wielokrotności peta P Słońce-Proxima Centauri tera T Ziemia-Saturn (1.3 mld km) giga G średnica Słońca (1.4 mln km) mega M Przemyśl-Świnoujście kilo k odl. pomiędzy przystankami hekto h boisko piłkarskie deka da autobus Nazwa Skrót Wartość Przykład w odniesieniu do długości decy d szerokość dłoni centy c długość paznokcia mili m muszka owocowa (2mm) mikro µ komórki (bakterie kiły ~1µm) nano n tranzystor w mikroprocesorze piko p twarde promieniowanie X femto f jądro wodoru

14 Podstawowe wielkości fizyczne Wielkość Ozn./Definicja Jednostka SI Inne stosowane Długość s m stopa (~1/3 m), yard (~0.9 m) Czas t s minuta, godzina, doba itd. Masa m kg (!) kwintal, tona, funt (~0.5 kg) Objętość V m 3 (!) litr (0.001 m 3 ) Gęstość r=m/v kg/m 3 g/cm 3 Temperatura T K C, F Prędkość v=ds/dt m/s km/h, Mach Siła F=m Dv/Dt N dyna, kg Ciśnienie p=f/a Pa mmhg (Tr), at, atm, bar, psi Praca W=F s J cal, kcal, erg Moc P=W/t W KM Przepływ obj. Q=DV/Dt m 3 /s ml/s Natężenie prądu I A ma, µa Potencjał el. U V mv

15 Termodynamiczny opis organizmu Biotermodynamika, to termodynamika w odniesieniu do opisu procesów lub zjawisk zachodzących w żywych organizmach. Opisuje zjawiska związane z: Transportem aktywnym i biernym przez błony komórkowe Powstawaniem potencjałów bioelektrycznych Procesami metabolicznymi Wymianą ciepła/energii z otoczeniem

16 Termodynamiczny opis organizmu Procesy termodynamiczne dzielą się na odwracalne i nieodwracalne. Procesy zachodzące w biologicznych układach termodynamicznych są procesami nieodwracalnymi zachodzą w określonym kierunku oraz powodują zmiany w otoczeniu (transport materii, energii, ładunków elektrycznych). Procesy nieodwracalne prowadzą układ od stanu bardziej do mniej uporządkowanego, dopóki nie osiągnie on stanu równowagi (śmierć układu biologicznego).

17 Zasady termodynamiki Równowaga termodynamiczna pojęcie stosowane w termodynamice. Stan, w którym makroskopowe parametry układu (ciśnienie, objętość, temperatura) i wszystkie funkcje stanu (energia wewnętrzna, entropia, entalpia) są stałe w czasie.

18 Pierwsza zasada termodynamiki Dla układu zamkniętego (nie wymienia masy z otoczeniem, może wymieniać energię): Q DU + - W Zmiana energii wewnętrznej (DU) układu jest równa energii, która przepływa przez jego granice na sposób ciepła (Q) i pracy (W). Q - DU + W

19 Mechanizmy wymiany ciepła mięśnie tk. tłuszczowa skóra naskórek warstwa graniczna przewodnictwo cieplne konwekcja promieniowanie parowanie organizm powietrze

20 Mechanizmy wymiany ciepła mięśnie tk. tłuszczowa skóra naskórek warstwa graniczna przewodnictwo cieplne konwekcja promieniowanie organizm woda

21 Bilans cieplny organizmu

22 Podstawowa przemiana materii Podstawowa przemiana materii (PPM) (BMR - Basal Metabolic Rate) jest to najniższe tempo przemiany materii w organizmie człowieka. Niezbędne do podtrzymania podstawowych funkcji życiowych człowieka znajdującego się w stanie czuwania, w warunkach zupełnego spokoju i komfortu cieplnego. PPM pochłania od 45% do 70% dziennego zapotrzebowania energetycznego człowieka. Energię w procesach związanych z organizmem określa się tradycyjnie w kilokaloriach: 1 kcal = 4.2 kj

23 Podstawowa przemiana materii Na PPM składają się procesy zachodzące w całym organizmie. Szacuje się, że na PPM składają się procesy zachodzące w: Układzie nerwowym 25% Wątrobie 20% Nerkach 6-7% Sercu 6-7% Pozostałych narządach 42%

24 Wzory Harrisa-Benedicta PPM można obliczyć przy pomocy następujących formuł: PPM = 665,09 + 9,56 W + 1,85 H 4,67 A [kcal] PPM = 66, ,75 W + 5 H 6,75 A [kcal] W masa ciała [kg]; H wzrost [cm]; A wiek Przykłady: Dla:, W 65 kg, H 170 cm, A 29 lat Dla:, W 65 kg, H 170 cm, A 29 lat PPM 1470 kcal PPM 1620 kcal

25 Podstawowa przemiana materii (1842 kcal )

26 Wartość kaloryczna pożywienia Wartość kaloryczną pożywienia określa się przez całkowite spalenie próbki (bomba kalorymetryczna), albo poprzez całkowite chemiczne utlenienie (metoda Rosenthala, K 2 Cr 2 O 7 ). Aby określić jaka część tej energii zostanie przekształcona w energię metaboliczną netto, należy jeszcze uwzględnić: - strawność (produkty roślinne - 90%, tłuszcz, mięso - 98%) - ilość energii potrzebnej do przyswojenia pożywienia (ok. 10% w zbilansowanym pożywieniu, najwięcej białko, najmniej tłuszcz)

27 Wartość kaloryczna pożywienia Produkt Wartość energetyczna 100g (kcal) Śniadanko ( ) (kcal) Kajzerka szt., 60g: 176 Serek topiony 215 trójkącik, 25g: 54 Szynka wieprzowa wędzona 212 plaster, 20g: 42 Pomidor 18 2 plasterki, 40g: 8 Herbata czarna 1 kubek, 250ml: 3 Cukier łyżeczki, 10g: 40 Razem: 323 Big Mac szt, 100g: 495 Frytki duże KFC 268 porcja, 100g: 268 KFC hot wing szt. 40g: 82

28 Indeks glikemiczny Indeks glikemiczny (wskaźnik glikemiczny, ang. Glycemic Index, GI) klasyfikacja produktów żywnościowych na podstawie ich wpływu na poziom glukozy we krwi (po 2-3 godzinach, tzw. glikemia poposiłkowa). GI jest to średni, procentowy wzrost stężenia glukozy we krwi po spożyciu porcji produktu zawierającej 50 gramów przyswajalnych węglowodanów. Wzrost ten określa się w stosunku do wzrostu obserwowanego po spożyciu 50 gramów glukozy (100%).

29 Indeks glikemiczny Czym wyższy GI tym szybsze narastanie poziomu cukru we krwi i szybszy późniejszy jego spadek Najkorzystniejsze do spożycia są produkty, których GI nie przekracza 60 Korzystniejsze dla osób zdrowych jest spożywanie produktów powodujących wolne narastanie zawartości cukru we krwi i wolniejszy spadek jego poziomu

30 Indeks glikemiczny Awokado 10 Cukinia 15 Fistaszki 15 Czosnek 30 Pomidor 30 Grejpfrut 30 Jabłko 35 Lody 35 Bób (surowy) 40 Makaron razowy 40 Chleb żytni 40 Płatki śniadaniowe 45 Makaron durum 50 Ryż brązowy 50 Mango 50 Sok z jabłek 50 Miód 60 Bagietka 70 Cukier 70 Dynia 75 Puree 80 Chleb biały 90 Ziemniaki piecz. 95 Piwo 110

31 Temperatura Temperatura - jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań cząsteczek tworzących układ. Jeden z podstawowych parametrów termodynamicznych. Temperatura jest miarą stanu cieplnego układu. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła. W przypadku występowania różnic temperatur następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej aż do wyrównania się temperatury obu ciał.

32 Temperatura k - stała Boltzmanna = [J/K] T - temperatura bezwzględna [K] Skale temperatur - skala Celsjusza t [ C] - skala bezwzględna : T [K] = t [ C] skala Fahrenheita : t [ F] = t [ C] (9/5) + 32

33 Pomiar temperatury Zerowa zasada termodynamiki. Jeśli układy A i B są w równowadze termicznej, i to samo jest prawdą dla układów B i C, to układy A i C również są ze sobą w równowadze. Zasada ta leży u podstaw pomiarów temperatury. Mówi ona pośrednio, że istnieje taka wielkość fizyczna, która jest równa dla układów będących ze sobą w równowadze termicznej. Zerowa zasada termodynamiki stwierdza także, że ciało w równowadze termodynamicznej ma wszędzie tę samą temperaturę (bo można je traktować, jako układ niezależnych ciał).

34 Pomiar temperatury Najprostszym i najstarszym sposobem pomiaru temperatury jest wykorzystanie rozszerzalności cieplnej materiałów. Większość znanych materiałów na skutek wzrostu temperatury zwiększa swoją objętość. Od tej reguły są wyjątki. Woda w pewnym zakresie temperatur zachowuje się inaczej i dlatego nie można zbudować termometru wodnego r [cm 3 ] +4 t [ C] H O O H H H H O H O H H O H H H O H O H O H O H O H O H H H O H H O H H O H O H H O H H O H H O H H O H H O H H H O H H O H H O H H O H O H H H O H H O H H H O O H H H H O H O O H H H O H H

35 Pomiar temperatury Większość materiałów przy wzroście temperatury zwiększa liniowo swoją objętość, przynajmniej w pewnym zakresie temperatur. h 1 T V h < < < T 2 V 2 h 2 h 2 Tak zachowuje się rtęć i alkohol, które zostały wykorzystane do budowy termometrów cieczowych.

36 Pomiar temperatury Temperaturę można mierzyć również wykorzystując fakt, że każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Ze zjawiskiem tym związane są: prawo Stefana-Boltzmana prawo przesunięć Wiena

37 , T ) 10 [ ] ( 3 12 W m K 6000 K 5000 K 4000 K [nm]

38 Prawo Stefana-Boltzmana

39 Prawo Wiena

40

41 Termografia

42 Transport przez błonę komórkową Budowa i rola błony komórkowej Transport czynny Transport bierny (dyfuzja)

43 Transport przez błonę komórkową Na podstawie: LadyofHats, translation by Żbiczek - translation of File:Cell membrane detailed diagram en.svg, Domena publiczna,

44 Transport przez błonę komórkową Białko integralne Białka peryferyjne Białko penetrujące

45 Płyn pozakomórkowy dyfuzja dyfuzja przez kanał dyfuzja przenośnikowa Energia Cytoplazma

46 Transport bierny Rodzaj cząsteczki Na + K + Cl - Glukoza H 2 O Współczynnik przepuszczalności cm/s 5 x cm/s cm/s 5 x 10-8 cm/s 5 x 10-3 cm/s

47 Dyfuzja przez błonę błona błona t=0 t=

48 Hemodializa Hemodializa - zabieg stosowany w leczeniu niewydolności nerek, a także niektórych zatruć. Jego celem jest usunięcie produktów przemiany materii z krwi pacjenta poprzez sztuczną błonę półprzepuszczalną. Podczas zabiegu krew jest wielokrotnie przepompowywana na zewnątrz ciała do dializatora, który działa jak sztuczna nerka.

49 Hemodializa

50 Hemodializa Krew wychodząca Płyn dializacyjny Kapilary Błona półprzepuszczalna Płyn dializacyjny Krew wchodząca

51 Dializator C =const 2 C (t) 1 Pompa perystaltyczna Koncentrat Woda

52 Następny wykład Biomechanika, biomechanika płynów