BFB

Předmět: Biofyzika

Katedra/Zkratka: KBF/BFB

Rok: 2011

Garant: 'Prof. RNDr. Jan Nauš, CSc.'

Anotace: Cílem předmětu je seznámit studenty jiných oborů než biofyziky s podstatou biofyziky. Jsou zopakovány základní fyzikální disciplíny a nezbytné matematické nástroje a prezentovány základy a příklady z biomechaniky, rovnovážné a nerovnovážné termodynamiky, synergetiky a teorie informace. Jsou popsány fyzikální vlastnosti a jevy v biologických membránách a transport látek přes membrány, elektrické jevy včetně akčního potenciálu, elektrostatických interakcí molekul a funkce elektrický orgánů ryb. Popsány jsou magnetické jevy a principy rezonančních spektroskopií, optické jevy v živé hmotě a využití polarizovaného světla. Popsána je podstata kvantové mechaniky, přenosu excitační energie a spektroskopií.

Přehled látky:
1) Matematické základy. 2) Biomechanika. Newtonovy zákony. Práce, potenciální energie, potenciál. Zákony zachování hybnosti a energie. Věta o těžišti, stabilita. Rotační pohyb. Zákon zachování momentu hybnosti. Kmitavý pohyb. Lineární harmonický oscilátor. Relaxace a rezonance. Statika a kinematika kostí a kloubů. Svalový stah. Molekulová dynamika. Tření. Elastická deformace těles. Modely visko-elastického chování látky. Zvuk a sluch. 3) Biofyzika tekutin. Povrchové napětí a kapilární síly. Zákony proudění tekutin. Viskozita. Biofyzika krevního oběhu. Biofyzika činnosti plic. 4) Biotermodynamika. Klasická rovnovážná termodynamika. První věta termodynamická. Odvození a vlastnosti entropie. Statistická interpretace entropie. Termodynamické potenciály. Chemický potenciál. Vodní potenciál a transport vody v rostlinách. Vratné a nevratné procesy. Třetí věta termodynamická. Fázové přechody. Nerovnovážná termodynamika. Onsagerův postulát reciprocity. Entropie v biologii. Prigoginův teorém. LeChatelierův princip. Teoretická formulace J´a X´. Difúze, vedení a generace tepla. 5) Statistická fyzika. Rozdělovací funkce. Fluktuace a vývoj. 6) Synergetika. Vývojové rovnice, jednosložkový a dvousložkový systém. Bifurkační body. Limitní cyklus. Disipativní struktury. Solitony. Oscilace v biologii. Informace. 7) Biologické membrány. Struktura membrán. Fázové přechody v lipidové vrstvě, uspořádání. Pohyby v membráně (difúze, rotace, fluktuace). Transport přes membránu, selektivní kanály, poriny. Spřažené transporty. 8) Elektrické jevy. Elektrický potenciál, napětí, proud a kapacita. Elektrické vlastnosti membrán. Pojem membránový potenciál. Nernstova a další rovnice. Akční potenciál a jeho šíření. Napěťově řízené iontové kanály. Elektrostatická interakce biomolekul. Elektrické orgány. 9) Magnetické jevy. Podstata magnetického pole a jeho vlastnosti. Magnetický moment atomu, elektronových systémů. Magnetická rezonance a zobrazování. 10) Optické jevy. Elektromagnetické záření. Kvantum (fotoelektrický jev). Vliv na živé systémy (UV, VIS, IR). Absorpční a rozptylové jevy. Klasická optika v biologii (fokusace, světlovodné jevy, úplný odraz). Optické zobrazení. Polarizované světlo (detekce v biologii). Spektroskopické metody ATR, CD a ORD. Laser a laserové spektroskopie. Holografie. 11) Kvantová mechanika. Podstata teorie, vlnová funkce a její význam. Schrödingerova rovnice. Tunelový jev. Poruchová metoda. Fermiho zlaté pravidlo. Relace neurčitosti. 12) Přenos excitační energie. Rezonanční a nerezonanční přenos energie. 13) Přenos elektronů a protonů. Pojem redoxní potenciál. Přenos elektronu v proteinových systémech. Chemiosmotická hypotéza. Podstata bioenergetiky. 14) Spektroskopie. Translační, rotační, vibrační a elektronový stav molekul a odvozené spektroskopie. 15) Luminiscence. Typy luminiscence. Jablonského schéma. Fluorescence a fosforescence, chemiluminiscence a bioluminiscence. Termoluminiscence. Parametry luminiscence a jejich měření. Kvantový výtěžek. Zhášení luminiscence. Rekombinační děje.