BIOFIZYKA

2009.11.20

1. Biofizyka - fizyka materii ożywionej; przedmiot badań pochodzi od biologii, zaś metody badawcze - od fizyki. Biofizyka zajmuje się zagadnieniami struktury, funkcji, oddziaływań i ruchu różnych żywych form materii z punktu widzenia ilościowego. Pomaga zrozumieć procesy fizyczne prostych i złożonych metod diagnostycznych, terapeutycznych i profilaktycznych. Jest ściśle związana z medycyną oraz stomatologią. Rozwój dyscyplin medycznych i stomatologicznych jest związany z rozwojem biofizyki a w szczególności biofizyki medycznej.

2. Organizmy żywe a środowisko zewnętrzne: czynniki działające na organizm żywy w środowisku zewnętrznym:

• promieniowanie: kosmiczne, X, UV, γ, ViS, mikrofalowe, TV, UKF, radiowe (M, L), PEM, ELT

• temperatura (T)

• ciśnienie (p)

• wilgotność (w %)

• pole magnetyczne (H)

• pole elektryczne (E)

• fale sprężyste (akustyczne, infradźwięki, ultradźwięki)

Hierarchia struktur

organizmu żywego

cząstki elementarne

↓

Atomy

↓

Cząsteczki

↓

Makrocząsteczki

↓

Biopolimery

↓

Komórki

↓

Tkanki

↓

Układy

↓

Narządy

Środowisko zewnętrzne

3. Biotermodynamika - dyscyplina naukowa wykorzystująca termodynamikę fenomenologiczną lub statyczną do opisu procesów lub zjawisk mających miejsce w żywych organizmach. Termodynamika fenomenologiczna - dotyczy badań zjawisk i właściwości układów makroskopowych bez wnikania w strukturę mikroskopową tych układów. Układy powyższe zawierają ogromną liczbę oddziałujących mikrocząsteczek. Termodynamika statyczna zajmuje się opisem właściwości struktur mikroskopowych stanowiących układ makroskopowy, będący z kolei przedmiotem zainteresowania termodynamiki fenomenologicznej. Biotermodynamika umożliwia lepsze poznanie zjawisk życiowych a w szczególności odnoszących się do procesów transportu substancji, energii i ładunków elektrycznych stanowiących podstawę procesów życiowych.

4. Wyjaśnienie przy pomocy biotermodynamiki zjawisk:

• istota transportu biernego i aktywnego przez błony biologiczne

• powstanie potencjałów bimolekularnych

• transporty sprzężone

• transport energii w procesach metabolicznych

• zrozumienie podstaw bioenergetyki i termokinetyki

• rozwój i ewolucja żywych organizmów, itp.

5. Układ termodynamiczny:

otoczenie układu

brzeg materialny lub część przestrzeni materialnej otoczona

abstrakcyjny układu brzegiem materialnym lub abstrakcyjnym

Układ

termodynamiczny

6. Układy termodynamiczne:

• homogeniczne (jednofazowe) - gdy makroskopowe właściwości fizykochemiczne w różnych miejscach układu są takie same

• heterogeniczne (wielofazowe) - gdy w pewnych częściach układu następuje nieciągła zmiana wartości liczbowej przynajmniej jednej wielkości fizycznej układu

7. Ze względu na właściwości brzegu wyróżniamy:

• układ izolowany

Δ
E = 0 (Δ
E - zmiana energii)

Δm = 0 (Δm - zmiana masy)

• układ zamknięty

↔ Δ
E ≠ 0
(wymienia energię)

• układ otwarty

↔
ΔE ≠ 0 (wymienia masę i energię - organizm żywy)

↔ Δm ≠ 0

8. Stan układu - określany jest przez wielkości fizyczne zwane parametrami stanu; ich funkcje zwane są funkcjami stanu. Układ termodynamiczny opisywany jest równaniami stanu. Do parametrów stanu zaliczamy następujące wielkości:

• temperatura (T)

• objętość (V)

• ciśnienie (p)

• masa (m)

9. Funkcje stanu - charakteryzują się tym, że ich zmiana jest równa różnicy wartości funkcji w stanie końcowym i początkowym układu; nie zależy od sposobu, w jaki ta zmiana została wykonana. Do funkcji stanu zalicza się:

• energia wewnętrzna (U)

• entalpia (H)

• entropia (S)

• energia swobodna (F)

• entalpia swobodna (G)

• potencjał chemiczny (µ)

• potencjał elektrochemiczny (µ_E)

Do funkcji stanu nie zalicza się pracy (W) oraz ciepła (Q).

10. Energia wewnętrzna układu (U):

U = ∑E_kin + ∑E_pot

gdzie:

∑E_kin - suma energii kinetycznej elementów strukturalnych układu termodynamicznego

∑E_pot - suma energii potencjalnej oddziaływania elementów strukturalnych układu termodynamicznego

11. Entalpia (H):

H = U + pV (entalpia = sumie energii wewnętrznej układu i pracy objętościowej;

równy w przypadku procesów izobarycznych, gdzie p = const.)

12. Entropia (S):

w oparciu o fizykę statyczną

Prawdopodobieństwo termodynamiczne - liczba sposobów realizacji określonego stanu makroskopowego.

1 ≤ ω < ∞ ω - prawdopodobieństwo termodynamiczne

0 ≤ p ≤ 1 p - prawdopodobieństwo matematyczne

ω
p ω proporcjonalne do p

p =
ω_s - liczba prób realizacji; ω_max - maksymalne prawdopodobieństwo termodynamiczne

S = k ∙ ln ω k - stała Stefana Boltzmana; k = 1,380622 ∙ 10^-23 J ∙ K^-1

Entropia - iloczyn stałej Boltzmana i logarytmu naturalnego z prawdopodobieństwa termodynamicznego. Entropia jest wprost proporcjonalna do logarytmu naturalnego z prawdopodobieństwa termodynamicznego. Entropia jest miarą nieporządku układu.

S = S₁ + S₂ S₁ i S₂ - podukłady

Entropia spełnia zasadę addytywności (sumowania).

III zasada termodynamiki:

S = 0 gdy ω = 1 bo ln 1 = 0

Entropia ciała doskonale uporządkowanego = 0

Powyższa sytuacja ma miejsce w temperaturze ω = 1 T = 0 K (0 bezwzględne)

S = k ∙ ln 1 = k ∙ 0 = 0 bo ln 1 = 0

13. Energia swobodna (F):

definiuje się ją w oparciu o I i II zasadę termodynamiki

F = U - T ∙ S energia wewnętrzna pomniejszona o iloczyn temperatury i entropii

T ∙ S - energia związana

Proces odwracalny nie pozostawia zmian w układzie.

Proces nieodwracalny pozostawia zmiany w organizmie.

14. Entalpia swobodna (G):

używana jest dla układów w procesach izotermicznych i izobarycznych

p ∙ ΔV - praca objętościowa

G = H - T ∙ S potencjał termodynamiczny Gibbsa

Entalpia swobodna - entalpia pomniejszona o energię związaną.

Mają znaczenie w procesach egzo- i endogenicznych.

procesy egzogeniczne zachodzą, gdy: ΔF < 0 - ubytek energii swobodnej ΔG < 0 - ubytek entalpii swobodnej samorzutnie proces utleniania glukozy ΔG ≈ -2900 kJ/mol ΔG < 0 C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O

procesy endogeniczne zachodzą, gdy: ΔF > 0 - przyrost energii swobodnej ΔG > 0 - przyrost entalpii swobodnej niesamorzutnie proces syntezy sacharozy z glukozy i fruktozy ΔG = 23 kJ/mol Glukoza + Fruktoza → Sacharoza + Woda (proces niesamoistny - możliwy w sprzężeniu z fosforylacją glukozy za pomocą ATP)

15. Entalpia swobodna i energia swobodna gazu doskonałego:

(T = const., ΔU = ΔH = 0, czyli U = const., H = const.)

ΔF = ΔU - T ∙ ΔS ; ΔG = ΔH - T ∙ ΔS

ΔF = ΔG = - TΔS = - ΔQ_e

16. Mieszanina gazów, roztworów:

G_i =
+ R Tn_i lnx_i

G_i - entalpia swobodna i-tego składnika po zmieszaniu

- entalpia swobodna i-tego składnika przed zmieszaniem

R - stała gazowa

T - temperatura w skali termodynamicznej temperatur

n_i - liczba moli i-tego składnika

ln - logarytm naturalny

x_i - ułamek molowy

Ułamek molowy:

x_i =
- liczba moli i-tego składnika

- suma wszystkich moli i-tego składnika

Mieszanie gazów jest procesem nieodwracalnym, powoduje:

• wzrost entropii mieszaniny gazów

• ubytek entalpii swobodnej (oraz wzrost energii związanej T ΔS)

17. Potencjał chemiczny:

zmiana entalpii swobodnej i-tego składnika substancji związanej ze zmianą liczby moli i-tej substancji

µ_i =
µ_i - bywa określana jako molowa entalpia swobodna

Potencjał chemiczny w mieszaninie gazów doskonałych:

µ_i =
+ R + lnx_i
- potencjał chemiczny i-tego składnika w stanie czystym (x₁ = 1)

Potencjał elektrochemiczny (µ_i):

ΔW_i = ΔG_i = ΔW_ch + ΔW_el ΔW_i - praca nieobjętościowa

ΔW_ch - wykonana praca chemiczna

ΔW_el - wykonana praca elektryczna

ΔW_ch = µ_i ∙ Δn_i ΔW_el =
∙ Δq_i
- potencjał elektryczny

Δq_i - zmiana ładunku elektrycznego

Δq_i­ = z ∙ F ∙ Δn_i z - liczba ładunków elektrycznych związanych z cząsteczką jonu

F - stała Faraday`a = 96487 C ∙ mol ^-1 C - Culomb

kosztem entalpii swobodnej:

ΔG_i = µ_i ∙ Δn_i +
∙ z ∙ F ∙ Δn_i ΔG_i - odniesiona do 1 mola i-tej substancji

µ_e = ~µ = µ_i +
∙ z ∙ F µ_e - potencjał elektryczny

µ_i - potencjał chemiczny

Kierunek wzrostu struktur

Środowisko wewnętrzne

---