A biofizika a biológia és fizika határtudománya, mely fizikai és fizikai-kémiai módszereket használ az élő rendszerek tanulmányozására.
Biofizika (molekuláris biofizika és biológiai anyagtan)
A biológiában és orvostudományban alkalmazott fizikai módszerek tárgyalása.
2014, tavaszi szemeszter
Tárgy előadója: Fidy Judit és Zrínyi Miklós Tárgy gyakorlatainak felelősei: Dr. Varga Zsófia, tudományos munkatárs, Dr. Borsos Attila, tudományos munkatárs
A biofizika az élő szervezetek és az életfolyamatok fizikája, a biológiai folyamatok leírása a fizika nyelvén. A biofizika az élő anyagot vizsgálata a fizika módszereivel.
ÉLŐ ANYAG, BIOANYAG ÉS BIOMIMETIKUS ANYAG
Az anyagtudomány az anyagok szerkezetével, tulajdonságaival, a szerkezet és a tulajdonságok közötti összefüggésekkel, a tulajdonságok megváltoztatásának, valamint új tulajdonságú anyagok előállításának elvi alapjaival foglalkozó tudomány.
A biológiai anyagtudomány az anyagok szerkezetével, tulajdonságaival, a szerkezet és a funkció közötti összefüggésekkel, a tulajdonságok megváltoztatásának, valamint új tulajdonságú biokompatibilis és biodegradábilis anyagok előállításának elvi alapjaival foglalkozó tudomány.
Élő anyag (rendszer), amely vegetatív (önfenntartó) és szaporító (önreprodukáló) (élet)jelenségeket mutat. Bioanyagoknak (biomaterials) az élővilágot alkotó-, az élő szervezetek által előállított-, vagy befogadott (szintetikus) anyagokat nevezzük.
Biomimetikus anyagoknak azokat a szintetikus anyagokat nevezzük, amelyeknek összetételét, struktúráját vagy funkcióját a természetből vett példa szolgáltatja.
Technikai anyag
Élő anyag
monolit
hierarchikus
állandóság
folytonos megújulás
korrózió, károsodás
öngyógyulás
passzív
alkalmazkodó képesség
mérnöki struktúrák
önszerveződő struktúrák
elektronok
ionok
változatos energiaforrások
ATP
termikusan ellenálló
hőmérséklet érzékeny
KÉMIAI SZERKEZET TULAJDONSÁG FELHASZNÁLÁS
Technikai anyag állandóság
Technikai anyag monolit
Élő anyag hierarchikus
KÉMIAI SZERKEZET TULAJDONSÁG FUNKCIÓ
Élő anyag folytonos megújulás
Technikai anyag korrózió, károsodás
Élő anyag öngyógyulás
Technikai anyag passzív
Technikai anyag elektronok
Élő anyag alkalmazkodó képesség
Élő anyag ionok
Technikai anyag mérnöki struktúrák
Technikai anyag változatos energiaforrások
Élő anyag önszerveződő struktúrák
Élő anyag ATP
Anyagtudományi követelmények: Biokompatibilitás: A biológiai rendszerrel (többnyire emberi szervezet), vagy biológiai eredetű anyaggal való zavartalan összeférhetőség.
Hisztokompatibilitás (szövetekkel) Hemokompatibilitás (vérrel) Celluláris (sejtekkel) Biofunkcionalitás: Az adott anyag milyen mértékben képes betölteni a neki szánt funkciót.
Febr. 12. Biológiai rendszerek különleges komponense, a víz. (Zrínyi Miklós) Febr.19. A biológiai „anyag” szerkezetét meghatározó kölcsönhatások és funkcionális jelentőségük. (Fidy Judit) Febr. 26. Elektromágneses sugárzások kölcsönhatása szövetekkel és szöveti komponensekkel I. Optikai tartomány (Fidy Judit) Márc. 5. Elektromágneses sugárzások kölcsönhatása szövetekkel és szöveti komponensekkel II. Röntgen és gamma tartomány (Fidy Judit) Márc. 12. Szövetek kölcsönhatása mágneses térrel. Mag mágneses rezonancia szövetekben, az orvosi alkalmazások alapjai (Fidy Judit) Márc. 19. Egyedi biomolekulák és sejtek mechanikai tulajdonságai és mérési módszereik. (Kellermayer Miklós) Márc. 26. Az élő anyag termodinamikai tulajdonságai. (Zrínyi Miklós) Április. 2. Transzport jelenségek az élő szervezetben I. (Zrínyi Miklós) Április. 9. Transzport jelenségek az élő szervezetben II. (Zrínyi Miklós) Április 16. Tavaszi szünet Április 23. Makromolekulák konformációja (Zrínyi Miklós) Április 30. Orvosi nanotechnológia. (Zrínyi Miklós) Május 7. Ultrahang terjedése szövetekben, az orvosi alkalmazások szempontjai. (Fidy Judit) Május 14. Biomolekulák elektromos tulajdonságai, bioelektronikai megközelítések, nanotechnológiai alkalmazások. (Dér András, MTA SzBK)
SEMMELWEIS EGYETEM
Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport
Biológiai rendszerek különleges komponense, a víz
Zrínyi Miklós egyetemi tanár, az MTA tagja
[email protected] (2014)
Egy különleges folyadék: a víz Thales már Krisztus előtt 580-ban felismerte, hogy a víz „minden dolgok forrása”. Kémiai összetételét először az angol Henry Cavendish határozta meg 1783-ban.
H 2O Az emberi test kortól függő víztartalma 45m% - 75m% (65m%)
A Föld felszínének 71%-át víz borítja, ez főleg sós víz. Az édesvíz 70%-a hó és jég formájában tárolódik. Napi felvétel: 2500 ml Minden szervezet alapvető anyaga a víz. A medúzának még 98%-a, a három hónapos magzatnak 94%-a, az újszülöttnek még 72%-a, a felnőtt embernek 50-60%-a víz. Az életkor előrehaladtával a víz aránya csökken.
Napi leadás: 2500 ml vizelet 1500 ml
ital 1600 ml étel 700 ml
200 ml
széklet 200 ml párolgás 400 ml izzadás 100 ml
A napi vízleadás és vízfelvétel mérlegének mindkét oldalán átlagosan 2,5 liter szerepel: ennyi víz távozik a szervezetünkből a verejtékezés, a légzés, a kiválasztás és az emésztés folyamán, amit pótolnunk kell. Napi folyadékszükségletünk mintegy felét a táplálékokkal, másik felét víz formájában vesszük magunkhoz.
Ezek átlagos mennyiségek!
Különböző testrészek átlagos folyadék tartalma
70 kg-os férfi szervezet átlagos folyadékmennyisége: 42 l.
A hidrogénhíd
H 2O ° 0,958 A
Egy intramolekuláris H-híd bontásához szükséges energia ~1-2 k B T
p [Pa]
C
C
p [Pa]
A A
22,1 106
7,4 106
víz 101,5
szilárd szárazjég
P
103
folyadék
jég O 520 103
O
610
gáz 101,5 103
gőz
jég
víz
vízgőz
B B
0
100
374
-78
-56,4
A víz moláris térfogata 4 C˚-on minimális, sűrűsége pedig maximális
A legtöbb anyag moláris térfogata a kristályos fázisban kisebb, mint az olvadékban. Kivétel: a víz
jég
víz
31,1
T [0C]
T [0C]
A víz és a szén-dioxid fázisdiagramja.
A víz egyik különlegessége, hogy moláris térfogata 8%-al csökken olvadáskor. Ez azt jelenti, hogy a nyomás növelése az olvadást segíti elő.
jég
víz
Ha víz a többi folyadékhoz hasonló “normális” folyadékként viselkedne, nem lennének hegyi patakjaink!
Mi történne, ha a víz a többi anyaghoz hasonlóan viselkedne? - nem lennének hegyi patakjaink, - a jég lesüllyedne a vízben, - folyók teljes egészében befagynának,
Víz hőkapacitása
Q = C (T ) mΔT
A folyékony víz hőkapacitása jóval nagyobb, mint a többi folyadéké, de nagyobb a szilárdtestek és a gázok hőkapacitásánál is. Ez a víz molekulái között kialakuló számtalan H-híd kölcsönhatás következménye.
cP = 4180 J/kgK szobahőmérsékleten Szerepe az életfolyamatokban: a testhőmérséklet jég szabályozása a nagy hőkapacitás segítségével
víz EH = 4 − 40kJ / mol
Egy 60 kg-os személy megközelítőleg 10 MJ nagyságú hőt ad le naponta, ha rendesen táplálkozik. Ez adiabatikus körülmények között 42 C˚-os hőmérséklet emelkedést jelent
A víz nagy párolgáshője miatt egységnyi térfogatban több energiát tárol, mint a többi „normális” folyadék. Kedveli a poláros felületeket (pl. cellulóz) (kapilláris emelkedés)
Q páro lg = 2,3 ⋅106 J/kg szobahőmérsékleten Szerepe az életfolyamatokban: hatékony hűtőfolyadék a hőmérséklet szabályzásban (izzadás).
Nem kedveli az apoláros felületeket (pl. teflon)
Nagy felületi feszültség γ = 72, 7 mN / m
25 C°-on.
Szerepe az életfolyamatokban: .
Jó oldószer A hézagos vízszerkezet miatt jó oldószere a gázoknak ( O2 , CO2 ,...).
jég A jól elegyedik poláros molekulákkal ( CH 3CH 2OH )
Mengyelejev szabadalma alapján
Figure 3.7
Apoláros molekulák oldása vízben
Sók oldása vízben
−
Na+
Jó oldószer
Hidrofób kölcsönhatás
+
−
ΔG < 0
hajtóerő
Cl−
−
W. Kauzman
+
−
ΔS > 0
Na+
+
ΔG = ΔH − T ΔS
ΔH > 0
−
Cl− +
+ +
− +
− − +
−
−
−
Miért különülnek el a kationok és az anionok? A Coulomb törvény talán nem érvényes?
ΔG < 0
Coulomb törvény Vákumban! f1,2 =
1 q1q2 ⋅ e1,2 4πε 0 r1,22
fC ( r1,2 ) = ε o = 8,854 ⋅10−12 J −1C 2 m −1
εr
kicsi
közepes
nagy
Közeg hatás! Anyag (szolvatáció)
vákum
hidratáció
f ( r1,2 ) =
q1q2 e1,2 4πε oε r r 2 1
ε r : relatív permittivitás (dielektromos állandó) Az árnyékoló hatás mértéke a molekula elektronszerkezetének aszimmetriájától függ. Ha a molekula poláros, azaz az elektronok molekulán belüli eloszlása nem egyenletes, hanem aszimmetrikus, akkor ez a hatás erősebb, mint apoláros (szimmetrikus elektroneloszlású) molekulák esetében.
víz hangyasav dimetil-szulfoxid dimetil-formamid metanol etanol aceton kloroform benzol hexán levegő
Relatív permittivitás (Dielektromos állandó)
80,1 51,1 47,2 38,3 33,0 25,3 21,0 4,8 2,3 1,9 1,0
q A qB e1,2 4πε oε r r 2 1
----
+
++ + -
-
+ ++ + + ++ +
+
- - ++ - +
-
Jó oldószer A vízmolekulák az ionok körül rendezett szerkezetű hidrát réteget hoznak létre. Ezt a folyamatot hidratációnak nevezzük.
Dielektromos állandó 25 C°-on: 78,54 A különbözű előjelű töltések közt ható erők a közeg dielektromos állandójának (relatív permittivitásának) növelésével csökkennek. A nagy dielektromos állandójú víz az ionok kölcsönhatásának energiáját több mint 80-ad részére csökkenti. Ez a nagymérvű energia csökkentés felelős a víz kiváló oldó hatásáért.
Coulomb törvény
Közeg hatás
Vákuumban! 1 q1q2 f1 = ⋅ e1,2 4πε 0 r1,22
Eo ( r ) =
1 q2 f1 = ⋅ e1,2 q1 4πε o r1,22
U (r ) = G (r ) =
r1,2 [ A] S (r ) =
ε o = 8,854 ⋅10
−12
r
2
J C m
U ( r ) = G ( r ) = ∫ Eo dr = ∞
−1
−1
1 q2 4πε o r
1 q1q2 4πε o r1,2
⎛ q ⋅q ⎞ U ( r1,2 ) = ⎜ 1 2 ⎟ ⋅1391 kJ / mol ⎜ r ⎟ ⎝ 1,2 ⎠
∂G q q ∂ε = 1 2 ⋅ ∂T 4πε 2 r1,2 ∂T
ΔG = ΔH − T ΔS
uC ( r ) =
1
εr
⋅ uC , o ( r ) =
1 q A qB 4πε oε r r
Autoprotolízis
Energia-, vagy entrópikus eredetű a hidratált ionok közötti kölcsönhatás ?
−
+
ΔG = ΔH − T ΔS ΔU ( r ) = ΔG ( r ) = ΔS ( r ) =
q1q2 ⋅ 4πε oε r r 1
2 H2O
Hydronium ++ H (H ion 3O3O )
∂ΔG q1q2 ∂ε r = ⋅ ∂T 4πε oε r2 r ∂T
hidroxonium ion K v = 10−14
q1q2 ∂ε r ∂ΔG 1 ∂ε r ΔS ( r ) = = = ΔG ∂T ε r ∂T 4πε oε r2 r ∂T 1 ∂ε r = −0, 0046 ε r ∂T
ΔS = −0, 0046 ⋅ ΔG
Meyer B. Jackson: kísérleti adatokból
entrópikus eredet!
Acidic solution
Increasingly Acidic [H+] > [OH−]
pH Scale 0
H+ H+ − H+ H+ OH + OH− H H+ H+ H+
1
Battery acid
2
Gastric juice, lemon juice
3
Vinegar, wine, cola
4
Tomato juice Beer Black coffee
5 6
Neutral solution
OH−
OH−
OH− H+ OH− − OH− OH − H+ OH
Basic solution
Neutral [H+] = [OH−]
7 8
Increasingly Basic [H+] < [OH−]
OH− OH− H+ H+ OH− − OH− OH + H+ H+ H
T ΔS = −1,38 ⋅ ΔG
Rainwater Urine Saliva Pure water Human blood, tears Seawater Inside of small intestine
9 10 Milk of magnesia
11 Household ammonia
12 13
Household bleach Oven cleaner
14
pH
10−7 mol / dm3
Hydroxide − ion OH (OH−)
hidroxid ion 10−7 mol / dm3
Szerepe az életfolyamatokban: savas, semleges és lúgos formában egyaránt előfordulhat.
ÓVAKODJ !
A vér pH-ja M=70 kg
0,1 mol H + 12 mol CO2
H+ HCO3− H 2 PO4−
NH 4+ ← NH 3
pH=?
H+ H+ H+
pH: 7,35–7,45
pH → 4,5
Vizes oldatok sejtszintű megoszlása A szervezet folyadékterei
Intracelluláris folyadéktér ICF
Extracelluláris folyadéktér ECF
A sejten belüli folyadékmennyiséget jelöli. A testsúly kb. 36 %-a (25 l).
A sejten kívüli összes folyadékmennyiséget jelöli. A testsúly kb. 24 %-a (17 l). Plazmavíz Interstíciális folyadék Fibrózus kötőszövet Csontállomány víztartalma Transzcelluláris folyadék
Intracelluláris folyadék (ICF)
víz Extracelluláris folyadék (ECF) 1/3 vérplazma 2/3 ICF 1/3 ECF
2/3 szövetek közti
Izotóniás oldatok: ha két különböző oldat ozmózisnyomása egyező Ha a koncentráció kisebb, mint az izotóniás oldaté, akkor: víz sejt hipotóniás oldat Az extracelluláris térfogat növekszik.
Testfolyadék összetétele ECF anyag +
K Mg 2+
Ha a koncentráció nagyobb, mint az izotóniás oldaté, akkor: környezet sejtvíz hipertóniás oldat Az intracelluláris térfogat csökken
Na
+
ICF [%]
szöveti [%]
plazma[%]
75
3
3
17
1
1
6
94
94
Ca 2+
2
2
2
protein
27
-
10
PO43− HCO32−
20
1
1
6
18
16
Cl −
2
77
69
más
45
4
4
Vér
Legfontosabb szerepe: anyagtranszport és energia(hő)transzport
Felnőtt ember keringő vértömege az össztömegének 6 -8 %-a. (4 – 6 l) Összetétele: vérplazma 55%, alakos elemek 45%.
3 5 millió vörösvértest minden mm -ben.
0,8 % bomlik és keletkezik minden nap Víz 90- 92% protein 8- 10% Na, K, Ca 1% albumin globulin fibringén
Viszkozitása 4 -5 szöröse a vízének ( 3 – 6 mPas) Sűrűsége:1 1060 kg / m3
pH: 7,35–7,45
Osmolaritása: 300 mOsm (0.3 Osm) Hőmérséklete: 38°C
