Biofizyka

Wykłady definiują biofizykę, podają jej zakres merytoryczny i powiązania z innymi dziedzinami naukowymi. Studenci poznają chemiczne podstawy budowy organizmów i oddziaływania stabilizujące biopolimery, budowę wody jako środowiska procesów życiowych. Prawa fizyki klasycznej pozwalają wyjaśnić wiele przemian w układach biologicznych, a elementy termodynamiki wprowadzają do bioenergetyki organizmów. Hierarchiczna struktura i zdolność do samoorganizacji materii ożywionej omówiona jest na przykładzie błon biologicznych. Zagadnienia promieniotwórczości oraz zjawisk falowych - akustycznych i elektromagnetycznych - są przedstawione w kontekście działania na organizmy oraz wykorzystania w nauce i medycynie. Podczas ćwiczeń wykonywane są analizy ważnych biologicznie parametrów metodami refraktometrii, polarymetrii, konduktometrii, oksymetrii, spektroskopii absorpcyjnej i fluorescencyjnej, a w układach modelowych badane są podstawy transportu i przepuszczalności błon komórkowych.

Wykłady:

- Definicja i zakres merytoryczny biofizyki, powiązane dziedziny badawcze, podstawowe założenia myślowe i poglądy, początki, rozwój i największe osiągnięcia.

- Chemiczne podstawy budowy materii ożywionej: pierwiastki, atomy, cząsteczki, wiązania chemiczne i oddziaływania oraz ich energia; słabe oddziaływania chemiczne stabilizujące strukturę biopolimerów: siły Van der Waalsa, wiązania wodorowe, oddziaływania jonowe, hydrofobowe.

- Budowa i właściwości wody jako dogodnego środowiska procesów życiowych; cząsteczki hydrofobowe, hydrofilowe, amfipatyczne. Pomiar w biofizyce, wielkości i jednostki fizyczne.

- Elementy fizyki klasycznej w opisie zjawisk i procesów przebiegających w układach żywych: siła, praca, energia, zasady dynamiki, zasady zachowania, równowaga i minimalizacja energii mechanicznej jako podstawa samoorganizacji materii ożywionej.

- Błony biologiczne: mechanizm tworzenia dwuwarstwy lipidowej, oddziaływania stabilizujące dwuwarstwę, udział białek, model strukturalny mozaikowo-płynny błony biologicznej; dynamika molekularna błon: rodzaje dyfuzji lipidów, przejścia fazowe, płynność, rola cholesterolu, separacja fazowa i mikrodomeny lipidowe; błony modelowe – liposomy.

- Wybrane zagadnienia z termodynamiki - podstawy bioenergetyki organizmów: wielkości fizyczne, pojęcie układu termodynamicznego, procesu i zmian entropii, równowagi termodynamicznej, stanu układu; temperatura i ciepło; pierwsza i druga zasada termodynamiki, funkcje termodynamiczne; przenoszenie się ciepła i przemiany energii w przyrodzie ożywionej.

- Podstawy fizyczne transportu przez błony komórkowe w powiązaniu z drugą zasadą termodynamiki. Ruchy Browna, transport bierny i aktywny; prawo Ficka, równowaga Gibbsa-Donnana. Potencjał błonowy i powstawanie potencjału czynnościowego w komórce nerwowej.

- Fale w biofizyce: charakterystyka fizyczna fali akustycznej; budowa i zasada działania narządu słuchu człowieka; utra- i infradźwięki; wykorzystanie ultradźwięków w medycynie i technice; hałas i jego oddziaływanie na organizm ludzki.

- Fale elektromagnetyczne: charakterystyka; dualizm korpuskularno-falowy na przykładzie zjawisk optycznych oraz fotoelektryczności, efektu Comptona oraz interferencji fal materii; fale radiowe - charakterystyka i propagacja; promieniowanie mikrofalowe i w podczerwieni - zastosowanie w medycynie i technice; promieniowanie świetlne –fotobiologia, fotoreceptory roślin i zwierząt, narządy zmysłu wzroku - budowa oka.

- Promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie: oddziaływanie na organizm ludzki, wykorzystanie w medycynie, przemyśle i nauce: promieniotwórczość - wpływ na organizm ludzki; promieniowanie alfa, beta i gamma, zastosowanie promieniowania jonizującego w medycynie i przemyśle spożywczym; datowanie izotopowe, reakcje jądrowe, promieniowanie kosmiczne; hipoteza hormezy radiacyjnej.

Ćwiczenia:

- Pomiary oksymetryczne w układach biologicznych: analiza zmian stężenia tlenu w trakcie oddychania wybranej tkanki roślinnej za pomocą elektrody tlenowej Clarka.

- Analizy spektrofluorymetryczne układów biologicznych: fluorescencja zielonych tkanek roślinnych. Badania fluorescencji chlorofilu; pomiary fluorescencyjne liścia w zakresie światła niebieskozielonego i czerwieni-dalekiej czerwieni; analizy szybkiej kinetyki indukcji fluorescencji chlorofilu; wyznaczanie wpływu natężenia światła na intensywność fotosyntezy rzeczywistej i translokację asymilatów w liściach metodami modulacji amplitudy i obrazowania fluorescencji.

- Zastosowanie pomiarów refraktometrycznych do wyznaczania stężeń węglowodanów i alkoholi cukrowych w materiałach biologicznych.

- Zastosowanie pomiarów polarymetrycznych do kontroli hydrolizy sacharozy i porównywania produktów spożywczych o wysokiej zawartości monosacharydów.

- Zastosowanie konduktometrii w badaniach biologicznych: ocena odporności liści roślin na działanie ujemnych temperatur; ocena pochodzenia botanicznego miodu oraz analiza zawartości wybranych składników.

- Widma absorpcyjne zakresu światła widzialnego jako efekt oddziaływania biologicznie aktywnych związków chemicznych z falami elektromagnetycznymi: zastosowanie spektrofotometrii absorpcyjnej do porównywania widm wybranych barwników roślinnych; analizy położenia maksimum absorpcji chlorofili w zależności od oddziaływań solwatacyjnych rozpuszczalnika i wytwarzania wiązań koordynacyjnych.

- Fizyczne podstawy transportu substancji przez błony komórkowe: ocena przepuszczalności błon oraz zjawisk osmotycznych w modelowym układzie komórki Traubego.

- Analizy spektrofluorymetryczne układów biologicznych: badanie wpływu naturalnych antyoksydantów pochodzenia roślinnego jako zmiataczy wolnych rodników – obserwacje procesu poprzez pomiary emisji fluorescencji fluoresceiny.

Podstawowa

S. Przestalski. Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki. Wyd. Uniw. Wroc. 2009.

Z. Jóźwiak, G. Bartosz. Biofizyka. Wybrane zagadnienia wraz z ćwiczeniami. Wyd. Nauk. PWN W-wa 2012.

G. Slósarek. Biofizyka molekularna. Zjawiska – Instrumenty – Modelowanie. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2011.

Uzupełniająca

R. Glaser. Wstęp do Biofizyki. Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich, Warszawa, 1995.

F. Jaroszyk. Biofizyka. Wydawnictwo lekarskie PZWL, Warszawa 2001.

W. Bryszewska, W. Leyko. Biofizyka dla biologów. Wyd. Nauk. PWN Warszawa 1997.

WIEDZA - absolwent zna i rozumie:

interdyscyplinarny charakter biofizyki jako dziedziny łączącej badania poznawcze i aplikacyjne

podstawowe własności atomów, cząsteczek, biopolimerów i struktur biologicznych, mechanizmy oddziaływań między- i wewnątrzcząsteczkowych

podstawowe prawa i zasady fizyczne w kontekście budowy i funkcji materii ożywionej oraz zjawisk i procesów zachodzących w organizmach

hierarchiczną budowę materii ożywionej oraz tendencję do samoorganizacji struktur biologicznych

metodologię badawczą typową dla biofizyki

ważne parametry, zjawiska i procesy będące przedmiotem badań biofizyki: fale akustyczne i elektromagnetyczne, korpuskularną i falową naturę światła, działanie fal na organizmy, promieniotwórczość, przewodnictwo elektrolityczne, procesy dyfuzji i osmozy, oddychania, transportu błonowego, potencjałów czynnościowych, termoregulacji oraz podstawy bioenergetyki

budowę błony biologicznej, podstawy dynamiki molekularnej oraz najważniejsze funkcje błon w komórce

wybrane metody analityczne stosowane w badaniach z zakresu biofizyki: oksymetrię, refraktometrię, polarymetrię, konduktometrię, spektroskopię absorpcyjną i fluorescencyjną

przykłady wykorzystania zjawisk i metod biofizycznych w medycynie oraz praktyce przemysłowej i naukowej

UMIEJĘTNOŚCI - absolwent potrafi:

opracowywać statystycznie wyniki wraz z analizą błędów pomiarowych, związanych z korzystaniem z aparatury analitycznej

stosować wybrane biofizyczne techniki badawcze oraz prawidłowo przeprowadzić eksperyment, dokonując pomiarów z wykorzystaniem refraktometru, polarymetru, konduktometru, spektrofotometru, fluorymetru i elektrody Clarka

Prawidłowo jakościowo i ilościowo opracować i interpretować wyniki badań, stosując i przeliczając odpowiednio dobrane jednostki fizyczne

Zaplanować eksperyment naukowy oraz dobrać optymalną strategię badawczą w badaniach biofizycznych

KOMPETENCJE SPOŁECZNE - absolwent jest gotów do:

zorganizowanej pracy zespołowej

wykorzystania osiągnięć biofizyki w praktyce laboratoryjnej, analizie instrumentalnej, nauce, medycynie i przemyśle

przestrzegania zasad BHP i wykazuje dbałość o stanowisko pracy.

zdyscyplinowanej, odpowiedzialnej, rzetelnej i systematycznej pracy w badaniach eksperymentalnych

Wykłady - test jednokrotnego wyboru - udział oceny z zaliczenia w ocenie końcowej wynosi 70%

Ćwiczenia - sprawdzian wiedzy - udział oceny z zaliczenia ćwiczeń w ocenie końcowej wynosi 30 %