Biofizyka - zagadnienia;

1. Procesy, parametr van't Hoffa ( Aga)

Proces - przebieg regularnie następujących po sobie zjawisk, pozostających pomiędzy sobą w związku przyczynowym

Kinetyka reakcji - współczynnik temperaturowy van't Hoffa:

Wzrost temperatury powoduje niezależnie od efektu energetycznego zawsze wzrost szybkości reakcji, rośnie wówczas średnia prędkość cząstek, zwiększa ogólną liczbę zderzeń dzięki temu zwiększa się udział zderzeń efektywnych, które zapoczątkowują przemianę ;

WZROST SZYBKOŚCI REKACJI - WZORST STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI:

Q_T =

Gdzie: K+ 10 - stała szybkości w temperaturze T + 10 , K - st. szybkości w temperaturze T

2≤Q_T≤4 empiryczna zależność van't Hoffa:

Wzrost temperatury o 10 stopni K lub C powoduje wzrost temperatury dwu a nawet czterokrotnie.

Prawo van't Hoffa:

Określa wartość ciśnienia osmotycznego roztworu doskonałego ( takiego, w którym nie ma oddziaływania międzycząsteczkowego), wykazuje analogię pomiędzy ciśnieniem osmotycznym nieelektrolitu roztworu idealnego a ciśnieniem wywieranym przez gaz idealny tej samej objętości.

∏= icRT

Dla:

T - temperatura roztworu

R - stała gazowa

C -stężenie

i - wsp. van't Hoffa

i = 1 + (v-1)α

α- stopień dysocjacji

v - liczba jonów powstała z 1 cząstki

2. Wiązania chemiczne, oddziaływania międzycząsteczkowe (Aga)
   

Wiązane kowalencyjne , atomowe, homojądrowe:

Polega na uwspólnieniu pary elektronów (wiązanie pojedyncze) lub par elektronów ( odpowiednio wiązania podwójne, potrójne)

Reguły tworzenia:

- reguła gazu doskonałego (oktetu) - każdy pierwiastek dąży do uzyskania konfiguracji helowca najbliższego w szeregu pierwiastków wg. Wzrastającej liczby atomowej

- reguła dupletu - wspólne pary elektronowe tworzą się z elektronów niesparowanych o przeciwnej orientacji spinów

Wiązanie atomowe spolaryzowane

- przesunięcie uwspólnionej pary elektronów w kierunku atomu pierwiastka bardziej elektroujemnego; pojawia się zjawisko niesymetrycznego rozłożenia ładunków = biegunowości

Wiązanie jonowe;

- pierwiastki o skrajnej elektroujemności;

- podczas powstawania wiązania dochodzi do wymiany elektronów walencyjnych , bardziej elektroujemny atom pierwiastka odbiera elektrony od pierwiastka o mniejszej elektroujemności - powstają nie cząsteczki a jony

- związki jonowe w stanie stałym tworzą sieć krystaliczną, stopione oraz znajdujące się w stanie ciekłym przewodzą prąd, mają wysokie temperatury wrzenia i topnienia

Wiązanie wodorowe:

- słabe oddziaływanie typu elektrostatycznego między kowalencyjnym związanym atomem wodoru i atomem o wysokiej elektroujemności

Wiązanie koordynacyjne:

- połączenie wiązań : atomowego i jonowego, powstaje gdy uwspólniona para elektronów pochodzi od jednego atomu, jonu, cząsteczki (donora) , a druga (akceptor) jest zdolna, by tę parę przyjąć, wiązanie występuje w związkach kompleksowych np. NH₃, CN^-, Cl^-, S₂O₃^2-, o liczbie przyłączonych ligandów decyduje liczba koordynacyjna ( może przyjmować różne wartości )

Wiązane metaliczne

Polega na przekształceniu atomu tego samego metalu w zbiór kationów i swobodnie poruszających się między nimi elektronów

Siły van der Vaalsa

- występują pomiędzy obojętnymi cząsteczkami

- oddziaływania typu : dipolowego - wzajemna orientacja cząsteczek dipolowych

Dipol - układ rozsuniętych ładunków o przeciwnym znaku

-oddziaływania typu dyspersyjnego - orientacji dipoli zmienia się wraz z częstością ruchu wokół jądra

- oddziaływanie indukcyjne - tylko gdy jedna z dwóch cząsteczek jest dipolowa

3. Woda jako składnik materii ożywionej (Aga)

Rola wody:

- woda związana strukturalnie

- woda wewnątrzkomórkowa

- płyn zewnątrzkomórkowy

Woda :

- podstawowy składnik organizmu

- składnik płynów ustrojowych np. limfy, osocza

- woda strukturalna: pozostaje w ścisłym kontakcie z związkami wielkocząsteczkowymi m.i białkami, a także ścianami i błonami komórkowymi, woda jest także składnikiem budulcowym komórki

Woda wewnątrzkomórkowa:

- wypełnia przestrzenie pomiędzy strukturami komórki

- zmieszana z innymi składnikami tworzy cytoplazmę o charakterze roztworu koloidalnego ( woda = faza rozpraszająca)

- woda wewnątrz komórki to środowisko procesów metabolicznych a także substrat w wielu reakcjach chemicznych

Płyn zewnątrzkomórkowy:

- to rozcieńczony wodny roztwór substancji nieorganicznych i organicznych

- nośnik związków odżywczych i sygnałów przekazywanych międzykomórkowo np. osocza, limfa

- stanowi otoczenie komórki

Woda:

- to dobry rozpuszczalnik i ważny czynnik transportujący; transportuje produkty przemiany materii, hormony, substancje odżywcze, witaminy, enzymy oraz leki

- woda odpowiada za utrzymanie kształtów i wymiarów komórki, warunkuje ich odpowiednie uwodnienie, ma wpływ na termoregulację

Asocjacja - łączenie się cząsteczek wody w zespoły - zależy od elektrostatycznego przyciągania dipoli wodnych

kohezja - siły spójności cząsteczek wody

adhezja - siły powierzchniowego przylegania cząsteczek wody do innych cząsteczek

uwodnienie , hydratacja - tworzenie wokół jonów ,,płaszcza” wodnego wskutek elektrostatycznego przyciągania dipoli

stała dielektryczna - miara zdolności do zobojętniania sił przyciągania pomiędzy ładunkami elektrycznymi

4. Budowa, skład i asymetria błon komórkowych (Aga)

Cechy błon :

- płynność - błona zachowuje się jak płyn, wynika to z faktu, że lipidy tworzące błonę nieustannie poruszają się i zamieniają miejscami w obrębie jednej warstwy

- selektywność - wybiórcza przepuszczalność

Funkcje błon: oddzielenie komórki od środowiska pozakomórkowego i zapewnienie z nim kontaktu

Asymetria błon:

Asymetryczne rozmieszczenie składników białkowych i lipidowych, oznacza to, że każda warstwa ma nieco inny skład i właściwości, np. glikolipidy na warstwie zewnętrznej tworzą ochronny glikokaliks

Skład błon:

- podstawa struktury - dwuwarstwa lipidowa

- główne składniki: fosfolipidy, glikolipidy (związki ampifatyczny), cholesterol , karotenoidy

- związek ampifatyczny - jego cząsteczki posiadają rejon hydrofobowy i hydrofilowy

5. Dyfuzja (Aga)

Dyfuzja - przenoszenie substancji przez błonę przy udziale zlokalizowanych w błonie przekaźników - centrum permeantowe, cząsteczka przekaźnikowa może mieć kontakt z cytoplazmatyczną powierzchnią błony bądź też uwalniać substancję przenikającą (permeant) na tej powierzchni,

Dyfuzja proces samorzutnego przemieszczania się cząstek z przestrzeni o stężeniu wyższym do przestrzeni o stężeniu niższym.

Równowaga Donnana - stan, w którym sumy potencjałów elektrochemicznych obu dyfundujących przez błonę rodzajów jonów będą jednakowe w obu roztworach

Potencjał elektrochemiczny

Jeżeli energia hydratacji powierzchni metalu ładuje się dodatnio wskutek wydzielania kationów, (metal zanurzony w roztworze - półogniwo, ) na granicy zetknięcia metal-roztwór pojawia się podwójna warstwa elektryczna - ona warunkuje różnicę potencjałów między metalem a roztworem. Potencjał chemiczny jest to wielkość intensywna, ma określoną wielkość w każdym miejscu fazy, nie zależy od jej masy, a jedynie od jej stanu wewnętrznego. Potencjał chemiczny rządzi kierunkiem przemieszczania się substancji chemicznych

Wzór Nernsta :

E =E^° +
ln c

n - liczba elektronów, c - stężenie, E⁰ - potencjał normalny Elektrody, T - temp. Bezwzględna 298 K

potencjał błonowy Donnana - obecność po jednej stronie błony jonu niedyfundującego przez nią powoduje asymetrię w rozmieszczeniu jonów - anionów, kationów, co jest przyczyną pojawienia się różnicy potencjałów pomiędzy roztworami ( wzór Hendersona):

ΔV_m =
ln

F - stała Faradaya

Warunki równowagi Donnana :

- roztwory po obu stronach musza być elektrycznie obojętne;

- potencjał elektrochemiczny elektrolitu przenikającego przez błonę musi w obu przedziałach być taki sam:

μ_NaCl = μ^ST_Nacl + RT ln a_Nacl

_μ^ST - potencjał standardowy elektrochemiczny

a - współczynnik aktywności

Równowaga Donnana :

• Iloczyn stężeń jonów dyfundujących znajdujących się po jednej strony równy jest iloczynowi substancji dyfundujących znajdujących się po drugiej stronie błony

• W obu układach suma kationów musi być równa sumie anionów

Dyfuzja - cechy:

Szybkość dyfuzji gazów rośnie wraz ze wzrostem:

• temperatury,

• powierzchni wymiany,

• gradientu stężeń pomiędzy gazem nad cieczą i w cieczy

• Szybkość dyfuzji gazów maleje wraz ze wzrostem:

• wymiaru cząsteczek, które są proporcjonalne do masy gazu,

• lepkości cieczy,

• długości drogi dyfuzyjnej

opracowanie Tomek:

Fosfolipidy (wikipedia) (inaczej fosfatydy lub fosfotłuszczowce) to lipidy, w których skład wchodzą: gliceryna, kwasy tłuszczowe, kwas fosforowy związany z zasadą azotową, np. choliną.

Fosfolipidy stanowią istotny składnik budowy błony komórkowej. Fosforylacja lipidów do fosforylowanego kwasu tłuszczowego jest też początkiem ich aktywacji biologicznej, po której następuje dekarboksylacja i dehydrogenacja, które są kolejnymi etapami procesu spalania tłuszczów w żywych organizmach. Występują obficie szczególnie w: tkance nerwowej, wątrobie i krwi.

Charakterystyczną cechą fosfolipidów jest to, że oprócz reszt kwasów tłuszczowych występują w nich również reszty kwasu fosforowego(V). W zależności od rodzaju alkoholu, stanowiącego zrąb cząsteczki, wyróżnia się glicerofosfolipidy (pochodne glicerolu) i sfingofosfolipidy (pochodne sfingozyny - złożonego aminoalkoholu). Przez resztę fosforową do rdzenia glicerofosfolipidowego może być dołączony inny związek organiczny (np. aminokwas, amina). Fosfolipidy stanowią główny składnik lipidowy błon cytoplazmatycznych (np. fosfatydylocholina, zwana także lecytyną).

Własności (hydrofilowy i amfifilny charakter lipidów) Węglowodorowe łańcuchy kwasów tłuszczowych nadają tłuszczom charakter hydrofobowy. Tłuszcze nie rozpuszczają się w wodzie, gdyż oddziaływania van der Waalsa pomiędzy kwasami tłuszczowymi są silniejsze od oddziaływań pomiędzy tłuszczem a polarnym rozpuszczalnikiem, jakim jest woda. Z drugiej strony polarne grupy tłuszczów złożonych (reszty fosforanowe, zjonizowane zasady azotowe) są grupami hydrofilnymi i ich kontakt z wodą jest energetycznie korzystny.

Z tego powodu cząsteczki tłuszczów złożonych mają charakter amfifilny, dwoisty w stosunku do wody. Hydrofobowe części cząsteczek - kwasy tłuszczowe - unikają kontaktu z wodą, zaś polarne części cząsteczek kierują się ku środowisku wodnemu.

W rezultacie tłuszcze złożone kontaktujące się z wodą tworzą struktury spełniające obydwa warunki. Mogą być to micele lub warstwy dwucząsteczkowe.

Funkcje błon :

• chronią komórki przed działaniem czynników fizycznych i chemicznych, a także przed wnikaniem obcych organizmów, w szczególności chorobotwórczych,

• regulują transport wybranych substancji z i do komórki,

• reagują na bodźce chemiczne, termiczne i mechaniczne,

• pełnią także funkcje enzymatyczne, katalizując różne reakcje metaboliczne,

• utrzymują równowagą między ciśnieniem osmotycznym wewnątrz i na zewnątrz komórki.

Zastosowanie:

Liposomy, pęcherzyki fosfolipidowe - struktury powstające samoistnie z fosfolipidów. Mają postać pęcherzyków (o wielkości 0,01-1 μm) wypełnionych wodą (lub wodnym roztworem), a otoczonych podwójną warstwą lipidową o grubości ok. 5 nm. Otoczka liposomów jest zbudowana analogicznie do błon biologicznych. Liposomy występują w organizmach żywych, np. we krwi oraz są produkowane przemysłowo.

Liposomy wytwarzane sztucznie znajdują zastosowanie głównie w przemyśle farmaceutycznym oraz kosmetycznym, a także w badaniach naukowych, jako model błony biologicznej. Wewnątrz liposomów można umieszczać roztwory lub zawiesiny wodne różnych substancji, w tym także leków i DNA. Cecha ta umożliwia stosowanie liposomów jako leków.

Liposomy sztuczne można podzielić pod względem rozmiaru, ilości warstw otoczki i sposobu wykonania. Wyróżnia się następujące grupy:

• Liposomy z więcej niż jedną warstwą lipidową

• Liposomy wielowarstwowe (ang.multillamellar vesicles) - MLV - Rozmiar: 0,4-10µm

• Pęcherzyki oligolamelarne (ang.oligolamellar vesicles) - OLV - Rozmiar: 0,1-1µm

• Liposomy jednowarstwowe (ang.unilamellar vesicles) - UV - Rozmiar: 0,01 - 1µm (Wszystkie zakresy wielkości)

• Małe liposomy jednowarstwowe (ang.small (or sonicated) unilameller vesicles) - SUV - Rozmiar: 0,02 - 0,03µm

• Duże liposomy jednowarstwowe (ang.large unilameller vesicles) - LUV - Rozmiar: 0,05 - 1µm

• Olbrzymie jednowarstwowe liposomy (ang.giant unilamellar vesicles) - GUV - Rozmiar: > 1µm

• Wielopęcherzykowe liposomy (ang.multivesicular vesicles) - MVV - Rozmiar: > 1µm

Wytwarzanie:

• Wstrząsanie - powoduje powstawanie wielowarstwowych liposomów (MVL), które można następnie rozbijać na mniejsze, różnymi metodami.

• Sonikacja - jest to metoda prowadząca do powstania liposomów jednowarstwowych (jedna warstwa podwójnej błony lipidowej)

Zastosowanie:

• W biologii i medycynie liposomy są stosowane do:

• badania właściwości białek błonowych

• modulowania procesów zachodzących w naturalnych błonach

• wbudowywania nowych składników do błony komórkowej

• wprowadzania do komórek substancji trudno rozpuszczalnych i łatwo utleniających się w wodzie

• jako postać leku, do terapii celowanej

• wzmocnienia odpowiedzi immunologicznej

• w przemyśle kosmetycznym, jako nośnik substancji hydrofilowych w tłustych kremach.

Termodynamika

Temperatura - jedna z podstawowych wielkości fizycznych (parametrów stanu[1]) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Ciepło - w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu[1]. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących układy makroskopowe pozostające we wzajemnym kontakcie[2]; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii.

Praca - skalarna wielkość fizyczna, miara ilości energii przekazywanej między układami fizycznymi w procesach mechanicznych, elektrycznych, termodynamicznych i innych.

Stan makroskopowy - stan układu opisany przy użyciu zmiennych makroskopowych (np. ciśnienie, objętość, temperatura). Wartości tych zmiennych można teoretycznie otrzymać przez uśrednienie po zmiennych mikroskopowych (np. położenia i prędkości wszystkich cząstek), które opisują stan mikroskopowy. Każdemu stanowi makroskopowemu A odpowiada więc pewna liczba Ω(A) stanów mikroskopowych, które są w pomiarze makroskopowym określane jako ten sam stan A.

Parametry stanu - wielkości fizyczne opisujące stan układu termodynamicznego takie jak: temperatura, ciśnienie, objętość, ilości (np. stężenia) poszczególnych substancji, czasem również inne. Wielkości, które nie zależą od ilości substancji w układzie, to tzw. parametry intensywne, natomiast wielkości zależące od ilości substancji to parametry ekstensywne.

Parametry ekstensywne - proporcjonalne do ilości materii w układzie:

• masa

• objętość

• Parametry intensywne - niezależne od ilości materii w układzie:

• temperatura

• ciśnienie

• ułamek molowy

Iloraz dwóch wielkości ekstensywnych zawsze jest wielkością intensywną.

Układ izolowany - układ, który nie może wymieniać masy ani energii z otoczeniem.

Układ zamknięty to taki układ, który nie wymienia masy z otoczeniem, natomiast może wymieniać energię

Układ otwarty to taki układ, który może wymieniać masę i energię z otoczeniem.

Funkcja stanu to w termodynamice funkcja zależna wyłącznie od stanu układu, czyli od aktualnych wartości jego parametrów, takich jak masa, liczność materii, temperatura, ciśnienie, objętość i inne.

Wartość funkcji stanu z definicji nie zależy od jego historii, tzn. tego co działo się z nim wcześniej. Wynika z tego bezpośrednio inna podstawowa własność funkcji stanu:

Zmiana wartości funkcji stanu zależy tylko od stanu początkowego i końcowego układu, a nie od sposobu w jaki ta zmiana została zrealizowana.

Funkcja termodynamiczna zależna od historii (drogi) układu jest nazywana funkcją procesu.

Zasada ekwipartycji energii - zasada termodynamiczna mówiąca (w oparciu o mechanikę statystyczną i przy założeniu obowiązywania mechaniki Newtona), że dostępna energia jaką dysponuje cząsteczka (np. gazu) rozkłada się "po równo" na wszelkie możliwe sposoby jej wykorzystania (tzw. stopnie swobody). Niezależnie od tego czy jest to stopień swobody związany z energią obrotu, ruchu postępowego czy związany z drganiami cząstek.

Równowaga termodynamiczna - Oznacza stan, w którym makroskopowe parametry układu, takie jak ciśnienie, objętość i wszystkie funkcje stanu, są stałe w czasie. Na równowagę termodynamiczną składają się: równowaga chemiczna (brak makroskopowego przepływu cząstek i reakcji chemicznych), mechaniczna (nie występują niezrównoważone siły) i termiczna (nie występuje przepływ energii).

Strona 10 z 10

---