Studijní opora pro distanční studium biologie Předmět Fyzikální biologie Katedra biologie, PřF UJEP
ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA KURZU Cílem kurzu Fyzikální biologie je uvést studenty biologie do problematiky vybraných oblastí, které jsou důležité pro studium biologických systémů. Studenti by si v průběhu kurzu měli vytvořit základní pojmový aparát a seznámit se s nejdůležitějšími zákony z oblasti termodynamiky a fyzikální chemie.
POŽADAVKY NA STUDENTY Ke zvládnutí vybraných částí kurzu budou důležité znalosti středoškolské matematiky (základy vysokoškolské matematiky), chemie a fyziky. Předpokládá se aktivní účast na konzultacích a samostudium doporučených literárních zdrojů.
ZPŮSOB A ORGANIZACE VÝUKY A STUDIJNÍCH OPOR Cílem přednášek v průběhu konzultací bude vytvoření přehledu o oblastech vytyčených jednotlivými tématy kurzu. Semináře budou zaměřeny na řešení vybraných úloh z probíraných oblastí. Základní osnovou pro další samostudium budou studijní opory ve formě rozšířeného sylabu předmětu v elektronické podobě s doporučenými internetovými a literárními studijními zdroji. Pozornost bude potřeba věnonat nejen literatuře povinné , ale i doporučené, která obsahuje množství aplikací a poznatků z oblasti studia biologických systémů. V závěru kurzu budou studenti přezkoušeni zápočtovým testem, který bude obsahovat otázky a úlohy z probíraných témat. Hranice pro úspěšné zvládnutí testu bude stanovena na 80%. Teoretické znalosti studentů budou prověřeny ústní zkouškou.
strana 1/11
OBSAH
1.
Distribuce a proměna energie v přírodě a v živých organismech ...................................... 3
2.
Vlastnosti plynů a stavové rovnice ideálních a reálních plynů .......................................... 3
3.
Energie, teplo a práce ......................................................................................................... 4
4.
Nultý, první, druhý a třetí termodynamický zákon ............................................................ 5
5.
Termochemické zákony ..................................................................................................... 5
6.
Termodynamické potenciály .............................................................................................. 6
7.
Fázové přechody a diagramy. Úvod do termodynamiky míchání plynů a kapalin............ 6
8.
Chemická rovnováha.......................................................................................................... 7
9.
Elektrochemie..................................................................................................................... 7
10.
Statistická termodynamika ............................................................................................. 8
11.
Nerovnovážná termodynamika ...................................................................................... 8
12.
Reakční kinetika............................................................................................................. 9
13.
Enzymová kinetika......................................................................................................... 9
14.
Vazebná kinetika a vazebná rovnováha ....................................................................... 10
15.
Literatura ...................................................................................................................... 11
strana 2/11
Studijní opora: Fyzikální biologie
Kbi PřF UJEP
1. DISTRIBUCE A PROMĚNA ENERGIE V PŘÍRODĚ A V ŽIVÝCH ORGANISMECH 1.1. Rozšířený sylabus
Živé systémy, jejich složení a organizace. Buňka eukaryotní a prokaryotní – základní struktury. Živočišné tkáně, rostlinné pletivá, orgány a soustavy. Základní hierarchie živé přírody a biologická organizace.
Základní stavební materiály v biosféře, Biomolekuly, stavební jednotky biomolekul, biopolymery. Funkce biomolekul. Význam vody pro život.
Proměny energie v přírodě a jeji distribuce.
Energetické proměny v živých organizmech. Metabolismus (katabolismus a anabolismus). Energetická potřeba živých organizmů. Význam sluneční a chemické energie pro metabolismus organismů. Rozdělení organismů z metabolického hlediska.
Fotosyntéza. Oxidačno-redukční děje. Makroergické přenašeče (ATP, GTP, UTP, ...) a přenašeče vodíkových atomů (NAD+, NADP+, …) – jejich funkce a význam. Příklady metabolických drah.
Struktura membrán. Aktivní a pasivní transport látek membránou.
1.2. Doporučené studijní zdroje: Haynie D. T.: Biological thermodynamics. Cambridge University Press, 2008 (str. 1-24) Alberts D. a kol.: Základy buněčné biologie. Garland Publishing, Inc., 1998 (str. 77-106) Voet D. Voet J.G.: Biochemie. Victoria Publishing, 1990 (str. 3-29) Vodrážka Z.:Biochemie 1. Academia. 1992, 1993 (str. 15-36) Vodrážka Z.:Biochemie 2. Academia. 1992, 1993 (str. 9-21) Kalous V. Pavlíček Z.:Biofyzikální chemie. SNTL, 1980 (str. 12-111, 233-249) http://webcast.berkeley.edu/course_details_new.php?seriesid=2009-D7803&semesterid=2009-D
2. VLASTNOSTI PLYNŮ A STAVOVÉ ROVNICE IDEÁLNÍCH A REÁLNÍCH PLYNŮ 2.1. Rozšířený sylabus
Tlak a teplota, měření teploty – používané jednotky, délková a objemová roztažnost.
strana 3/11
Studijní opora: Fyzikální biologie
Kbi PřF UJEP
Fyzikální stav látky, plynová stavová rovnice.
Ideální a reálny plyn vlastnosti.
Boylův zákon, Charlesův zákon, Avogadrův princip, Daltonův zákon.
Stavová rovnice ideálního plynu a van der Waalsova rovnice reálního plynu. Charakateristika isotermy v pV diagramech, kritický bod. Kompresní faktor a viriální koeficienty.
Princip korespondujících stavů.
2.2. Doporučené studijní zdroje: Atkins P. W. de Paula J. Physical Chemistry 8e. Oxford University Press, 2006 (str. 3-27) Halliday D. Resnick R. Walker J.: Fyzika. Část 2, Mechanika. Termodynamika. Vutium, 2000 (str.496-502)
3. ENERGIE, TEPLO A PRÁCE 3.1. Rozšířený sylabus
Úvod do problematiky termodynamiky.
Systém (adiabatický, izolovaný, uzavřený, otevřený, homogénní a heterogenní).
Skupenský stav, fáze.
Extenzivní a intenzivní veličiny v termodynamice, měrné a molární veličiny.
Rovnovážny stav. Ustálený stav – stacionární proces.
Děj vratný a nevratný. Děje izotermické, izobarické, izochorické, adiabatické, izoentropické, izoentalpické.
Hmota a energie, typy energie – kinetická, potenciální. Vnitřní energie.
3.2. Doporučené studijní zdroje: Haynie D. T.: Biological thermodynamics. Cambridge University Press, 2008 (str. 326-329) Vodrážka Z.: Fyzikální chemie pro biologické vědy. Academia, 1982 (str. 16-19) Vodrážka Z.: Fyzikální chemie pro biologické vědy. Academia, 1982 (str. 181-187) Haynie D. T.: Biological thermodynamics. Cambridge University Press, 2008 (str. 25-29) Novák J. a kol.: Fyzikální chemie - bakalářský a magisterský kurz, VŠCHT Praha, 2008 (str. 15-66) http://cs.wikipedia.org/wiki/Kinetick%C3%A1_energie http://cs.wikipedia.org/wiki/Potenci%C3%A1ln%C3%AD_energie http://cs.wikipedia.org/wiki/Vnit%C5%99n%C3%AD_energie strana 4/11
Studijní opora: Fyzikální biologie
Kbi PřF UJEP
http://cs.wikipedia.org/wiki/Energie
4. NULTÝ, PRVNÍ, DRUHÝ A TŘETÍ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON 4.1. Rozšířený sylabus
Práce a teplo – různé formy energie.
Nultý zákon termodynamiky.
Vnitřní energie jako stavová funkce. První zákon termodynamiky.
Přenos tepla, tepelná kapacita. Entalpie. Entalpie jako stavová funkce.
Entropie. Entropie jako stavová funkce. Karnotův cyklus. Tepelné motory (Carnotův motor), tepelná účinnost. Chladnička, chladící faktor, tepelné čerpadla.
Entropie vratných a nevratných dějů. Klausiová nerovnost. Druhý zákon termodynamiky. Měření entropie. Entropie při isotermální expanzi. Entropie a fázové přechody.
Třetí zákon termodynamiky.
4.2. Doporučené studijní zdroje: Haynie D. T.: Biological thermodynamics. Cambridge University Press, 2008 (str. 25-84) Atkins P. W. de Paula J. Physical Chemistry 8e. Oxford University Press, 2006 (76-94) Halliday D. Resnick R. Walker J.: Fyzika. Část 2, Mechanika. Termodynamika. Vutium, 2000 (str. 495-576)
5. TERMOCHEMICKÉ ZÁKONY 5.1. Rozšířený sylabus
Termochemie.
Standardní stav. Entalpie fyzikálních proměn. Entalpie chemických proměn.
Hessův zákon. Slučovací a spalná entalpie.
Kirchhofův zákon.
Kalorimetrie.
5.2. Doporučené studijní zdroje: Novák J. a kol.: Fyzikální chemie - bakalářský a magisterský kurz, VŠCHT Praha, 2008 (str. 79-92) Atkins P. W. de Paula J. Physical Chemistry 8e. Oxford University Press, 2006 (str. 49-57)
strana 5/11
Studijní opora: Fyzikální biologie
Kbi PřF UJEP
Kalous V. Pavlíček Z.:Biofyzikální chemie. SNTL, 1980 (str. 258-265) Haynie D. T.: Biological thermodynamics. Cambridge University Press, 2008 (str. 372-376) http://cs.wikipedia.org/wiki/Termochemie#Entalpie_H
6. TERMODYNAMICKÉ POTENCIÁLY 6.1. Rozšířený sylabus
Vnitřní energie – definice a význam.
Entalpie – definice a význam.
Helmholzova volná energie – definice a význam.
Gibbsova volná energie – definice a význam. Chemický potenciál.
Maxwellove relace – význam.
6.2. Doporučené studijní zdroje: Haynie D. T.: Biological thermodynamics. Cambridge University Press, 2008 (str. 25-206) Atkins P. W. de Paula J. Physical Chemistry 8e. Oxford University Press, 2006 (str. 30-47, 94-109) Kalous V. Pavlíček Z.:Biofyzikální chemie. SNTL, 1980 (str. 251-306) http://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamic_potential http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_potential
7. FÁZOVÉ PŘECHODY A DIAGRAMY. ÚVOD DO TERMODYNAMIKY MÍCHÁNÍ PLYNŮ A KAPALIN 7.1. Rozšířený sylabus
Fáze, fázové přechody, fázové rozhraní, fázový diagram, fázové pravidlo.
Charakteristika fázového diagramu vody (tání, tuhnutí, odpařování, kondenzace, sublimace, trojný bod, kritická teplota)
Chemický poteciál při fázových přechodech, závislost chemického potenciálu na teplotě a tlaku.
Chemický potenciál a fázové rozhraní, Clapeyronova rovnice. Ehrenfestova klasifikace fázových přechodů
strana 6/11
Studijní opora: Fyzikální biologie
Kbi PřF UJEP
Gibbsova-Duhemova rovnice, míchání plynů a míchání kapalin, standardní chemický potenciál. Koligativní vlastnosti kapalin. Aktivita, aktivitní koeficient, aktivita roztoků iontů, iontová sila.
Rozpustnost plynů a dýchání. Osmóza a osmotický tlak. Dialýza.
7.2. Doporučené studijní zdroje: Atkins P. W. de Paula J. Physical Chemistry 8e. Oxford University Press, 2006 (str. 117-179) Fisher O. a kol.: Fyzikální chemie. SPN, 1984 (str. 78-120)
8. CHEMICKÁ ROVNOVÁHA 8.1. Rozśířený sylabus
Chemická rovnováha.
Reakční gibsová energie a chemická afinita.
Rovnovážné konstanty pro roztoky a plyny.
Princip pohyblivé rovnováhy (Le Chatelier, Braun).
Vlyv teploty, tlaku a počátečniho složení na chemickou rovnováhu.
8.2. Doporučené studijní zdroje: Atkins P. W. de Paula J. Physical Chemistry 8e. Oxford University Press, 2006 (str. 200-215) Fisher O. a kol.: Fyzikální chemie. SPN, 1984 (str. 122-141)
9. ELEKTROCHEMIE 9.1. Rozšířený sylabus
Elektrochemická cela, galvanický článek, elektrolytický článek. Elektrody, katoda a anoda. Klasifikace elektrod – elektrody prvního druhu, elektrody druhého druhu, oxidačně redukční elektrody, iontově selektivní elektrody.
Elektromotorické napětí. Standardní elektromotorické napětí. Nernstova rovnice. Fázové potenciály. Elektrochemický potenciál. Standardní elektrodové potenciály.
Elektrolyty. Rovnováhy v roztocích elektrolytů. Pufry.
Definice pH a měření pH. pH tělních tekutin a příklady pufrujících systémů.
Význam membránových potenciálů pro transport látek membránou.
strana 7/11
Studijní opora: Fyzikální biologie
Kbi PřF UJEP
9.2. Doporučené studijní zdroje: Atkins P. W. de Paula J. Physical Chemistry 8e. Oxford University Press, 2006 (str. 216-233) Kodíček M. Karpenko V.: Biofysikální chemie. Academia, 2000 (str.142-240) Alberts D. a kol.: Základy buněčné biologie. Garland Publishing, Inc., 1998 (str. 348-403) Vodrážka Z.: Fyzikální chemie pro biologické vědy. Academia, 1982 (str. 455-461) Kalous V. Pavlíček Z.:Biofyzikální chemie. SNTL, 1980 (str. 114-249)
10. STATISTICKÁ TERMODYNAMIKA 10.1.
Rozšířený sylabus
Rozdíl mezi mikroskopickým a makroskopickým stavem systému.
Energetická hladina , obsazení energetických hladin, mikrostav, konfigurace systému a její násobnost.
Interpretace molekulární partiční funkce, partiční funkce dvouhladinového systému.
Pravděpodobnost a entropie, Boltzmannova rovnice pro entropii.
10.2.
Doporučené studijní zdroje:
Haynie D. T.: Biological thermodynamics. Cambridge University Press, 2008 (str. ) Atkins P. W. de Paula J. Physical Chemistry 8e. Oxford University Press, 2006 (str. 560-585) Halliday D. Resnick R. Walker J.: Fyzika. Část 2, Mechanika. Termodynamika. Vutium, 2000 (str. 566-570)
11. NEROVNOVÁŽNÁ TERMODYNAMIKA 11.1.
Rozšířený sylabus
Produkce entropie v otevřených a uzavřených systémech.
Ustálený stav – charakteristika.
Zobecněné toky, zobecněné síly, fenomenologické koeficienty, lineární matice toků, Onsagerův reciproční vztah, Prigoginův princip.
Rozdíl mezi lineární a nelineární nerovnovážnou termodynamikou.
Membránový transport – význam nerovnovážné termodynamiky.
11.2.
Doporučené studijní zdroje:
Ottová-Leitmannová A.: Základy biofyziky. Alfa, 1993 (str. ) Kodíček M. Karpenko V.: Biofysikální chemie. Academia, 2000 (str.37-55)
strana 8/11
Studijní opora: Fyzikální biologie
Kbi PřF UJEP
Vodrážka Z.: Fyzikální chemie pro biologické vědy. Academia, 1982 (str. 242-250) http://en.wikipedia.org/wiki/Non-equilibrium_thermodynamics http://sf.zcu.cz/rocnik07/cislo02/prigog2.html http://nelterm.kof.zcu.cz/nerterm/ntuvod/uvod.htm
12. REAKČNÍ KINETIKA 12.1.
Rozšířený sylabus
Základní metody zkoumání reakční kinetiky.
Rychlost reakce. Rozsah reakce. Rychlostní konstanty.
Řád reakce. Určování řádu reakce. Reakce nultého, prvního a druhého řádu. Poločas reakce.
Závislost reakční rychlosti na teplotě. Arrheniova rovnice a interpretace její parametrů. Srážková teorie reakční rychlosti. Teorie aktivovaných komplexů.
12.2.
Doporučené studijní zdroje:
Atkins P. W. de Paula J. Physical Chemistry 8e. Oxford University Press, 2006 (791-823) Fisher O. a kol.: Fyzikální chemie. SPN, 1984 (str. 233-269) Kalous V. Pavlíček Z.:Biofyzikální chemie. SNTL, 1980 (str. 306-315) http://rkt.chem.ox.ac.uk/teaching.html
13. ENZYMOVÁ KINETIKA 13.1.
Rozšířený sylabus
Enzymy – základní klasifikace, katalytická účinnost, struktura, koenzymy.
Jednosubstrátové enzymové reakce – rovnice Michaelise a Mentenové, grafická analýza kinetických dat.
Inhibice, inhibitory a jejich účinek, druhy inhibice.
13.2.
Doporučené studijní zdroje:
Voet D. Voet J.G.: Biochemie. Victoria Publishing, 1990.(str. 345-385) Vodrážka Z.:Biochemie 1. Academia. 1992, 1993 (str. 120-169) http://www.hort.purdue.edu/rhodcv/hort640c/ho05000.htm http://www.shodor.org/refdesk/BioPortal/model/NLintermediateEnzymeKinetics?level=introd uctory
strana 9/11
Studijní opora: Fyzikální biologie
Kbi PřF UJEP
http://cti.itc.virginia.edu/~cmg/Demo/kinetics/mm/mm/mm.html
14. VAZEBNÁ KINETIKA A VAZEBNÁ ROVNOVÁHA 14.1.
Rozšířený sylabus
Model vazby ligandu na receptor s jedním vazebným místem. Receptor, ligand. Asociační a disociační konstanta. Gibsová volná energie vazby receptor-ligand. Langmuirová isoterma.
Model vazby ligandu na receptor s více vazebnými místy.
Metody zkoumání vazebných interakcí a grafická analýza experimentálních dat.
14.2.
Doporučené studijní zdroje:
Haynie D. T.: Biological thermodynamics. Cambridge University Press, 2008 (str. 250-280) Coperland R. A.: Enzymes A practical introduction to structure, mechanism, and data analysis. Wiley, 2000 (str. 76-107)
strana 10/11
Studijní opora: Fyzikální biologie
Kbi PřF UJEP
15. LITERATURA 15.1.
Povinná literatura
Haynie D. T.: Biological thermodynamics. Cambridge University Press, 2008 Atkins P. W. de Paula J. Physical Chemistry 8e. Oxford University Press, 2006 Halliday D. Resnick R. Walker J.: Fyzika. Část 2, Mechanika. Termodynamika. Vutium, 2000 15.2.
Další doporučená literatura
Kodíček M. Karpenko V.: Biofysikální chemie. Academia, 2000 Kalous V. Pavlíček Z.:Biofyzikální chemie. SNTL, 1980 Ottová-Leitmannová A.: Základy biofyziky. Alfa, 1993 Alberts D. a kol.: Základy buněčné biologie. Garland Publishing, Inc., 1998 Vodrážka Z.:Biochemie 1, 2, 3. Academia. 1992, 1993 Nelson P.: Biological physics Energy, Information, Life. W. H. Freeman and Company, 2004 Voet D. Voet J.G.: Biochemie. Victoria Publishing, 1990. Novák J. a kol.: Fyzikální chemie - bakalářský a magisterský kurz. VŠCHT Praha, 2008 Malijevský A.: Breviář z fyzikální chemie. VŠCHT Praha, 2008 Bartovská L. Novák J. a kol.: Úlohy z fyzikální chemie: bakalářský kurz. VŠCHT Praha, 2008 Fisher O. a kol.: Fyzikální chemie. SPN, 1984 Coperland R. A.: Enzymes A practical introduction to structure, mechanism, and data analysis. Wiley, 2000 15.3.
Internetové zdroje
multimediální kurzy na: http://videolectures.net/ (http://videolectures.net/mit560s08_thermodynamics_kinetics/) http://webcast.berkeley.edu/
strana 11/11
