BIOCHEMIA I BIOFIZYKA Koordynator: prof. dr hab. Eugeniusz Rokita Prowadzący: dr hab. Grzegorz Tatoń 15 h wykłady (5 x 3h 12. XII, 19.XII, 9.I, 16.I, 23.I) 7.5 h samokształcenie 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 Podstawy biofizyki, elementy termodynamiki 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 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. 1
Biofizyka BIOFIZYKA to dziedzina nauki zajmująca się fizycznymi aspektami działania organizmów żywych i ich oddziaływania ze środowiskiem. 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. Jednostki w układzie SI Podstawowe Pochodne m, kg, s, A, K, cd, mol, radian, steradian Hz, N, W, m 2, kg/m 3 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 Pozaukładowe min, h, rok, o C, mmhg Metr 2
Wielokrotności peta P 10 15 1000 000 000 000 000 0.1 Słońce-Proxima Centauri tera T 10 12 1000 000 000 000 Ziemia-Saturn (1.3 mld km) giga G 10 9 1000 000 000 średnica Słońca (1.4 mln km) mega M 10 6 1000 000 Przemyśl-Świnoujście kilo k 10 3 1000 odl. pomiędzy przystankami hekto h 10 2 100 boisko piłkarskie deka da 10 1 10 autobus Nazwa Skrót Wartość Przykład w odniesieniu do długości decy d 10-1 0.1 szerokość dłoni centy c 10-2 0.01 długość paznokcia mili m 10-3 0.001 muszka owocowa (2mm) mikro µ 10-6 0.000 001 komórki (bakterie kiły ~1µm) nano n 10-9 0.000 000 001 tranzystor w mikroprocesorze piko p 10-12 0.000 000 000 001 twarde promieniowanie X femto f 10-15 0.000 000 000 000 001 jądro wodoru 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 =m/v kg/m 3 g/cm 3 Temperatura T K C, F Prędkość v= s/ t m/s km/h, Mach Siła F=m v/ t 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= V/ t m 3 /s ml/s Natężenie prądu I A ma, µa Potencjał el. U V mv 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 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). Zasady termodynamiki Pierwsza zasada 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. Dla układu zamkniętego (nie wymienia masy z otoczeniem, może wymieniać energię): Zmiana energii wewnętrznej ( U) układu jest równa energii, która przepływa przez jego granice na sposób ciepła (Q) i pracy (W). 3
Pierwsza zasada termodynamiki Mechanizmy wymiany ciepła Mechanizmy wymiany ciepła Bilans cieplny organizmu Podstawowa przemiana materii 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 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% 4
Wzory Harrisa-Benedicta Podstawowa przemiana materii PPM można obliczyć przy pomocy następujących formuł: PPM = 665,09 + 9,56 W + 1,85 H 4,67 A [kcal] PPM = 66,47 + 13,75 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 PPM 1470 kcal (1842 kcal ) Dla:, W 65 kg, H 170 cm, A 29 lat PPM 1620 kcal http://zdrowezywienie.edu.pl/kalk_ppm.htm 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) Wartość kaloryczna pożywienia Produkt Wartość energetyczna 100g (kcal) Śniadanko ( ) (kcal) Kajzerka 293 1 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 400 2 łyżeczki, 10g: 40 Razem: 323 Big Mac 495 1 szt, 100g: 495 Frytki duże KFC 268 porcja, 100g: 268 KFC hot wing 206 1 szt. 40g: 82 http://kalkulatorkalorii.net/kalkulator-kalorii 5
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%). 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 Awokado 10 Cukinia 15 Fistaszki 15 Czosnek 30 Pomidor 30 Grejpfrut 30 Jabłko 35 Lody 35 Indeks glikemiczny 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 https://www.glukoza.pl/index.php/indeks-glikemiczny-tabele 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 zciała owyższej temperaturze do ciała oniższej aż do wyrównania się temperatury obu ciał. Temperatura 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. k - stała Boltzmanna = 1.381 10-23 [J/K] T - temperatura bezwzględna [K] Skale temperatur - skala Celsjusza t [ C] - skala bezwzględna : T [K] = t [ C] + 273.15 - skala Fahrenheita : t [ F] = t [ C] (9/5) + 32 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). 6
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. Pomiar temperatury Większość materiałów przy wzroście temperatury zwiększa liniowo swoją objętość, przynajmniej w pewnym zakresie temperatur. Tak zachowuje się rtęć i alkohol, które zostały wykorzystane do budowy termometrów cieczowych. 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 Prawo Stefana-Boltzmana Prawo Wiena 7
Termografia Transport przez błonę komórkową Transport przez błonę komórkową Budowa i rola błony komórkowej Transport czynny Transport bierny (dyfuzja) Na podstawie: LadyofHats, translation by Żbiczek - translation of File:Cell membrane detailed diagram en.svg, Domena publiczna, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3687097 Transport przez błonę komórkową 8
Transport bierny Dyfuzja przez błonę Rodzaj cząsteczki Na + K + Cl - Glukoza H 2 O Współczynnik przepuszczalności 10-12 cm/s 5 x 10-12 cm/s 10-10 cm/s 5 x 10-8 cm/s 5 x 10-3 cm/s 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. Hemodializa Hemodializa 9
Następny wykład Biomechanika, biomechanika płynów 10