Seminarium 1 Budowa układów biologicznych

1. Seminarium 1Budowa układów biologicznych Zakład Biofizyki CM UJ

2. Makro-świat ~ mm Cząsteczka ~ (10-9 10-6) m Atom ~ 10-10 m (1 Å = 10-10 m) Jądro atomowe ~10-15 m (1 fm = 10-15 m) Problem 1 Zakład Biofizyki CM UJ

3. Jądro atomowe A X A – liczba nukleonów A·u - masa jądra Z – liczba protonów (X) Z·e - ładunek jądra N – liczba neutronów N = A - Z Zakład Biofizyki CM UJ

4. Jednostka masy atomowej (j.m.a.) Atomic mass unit (amu) 12C = 12.000 amu 1 amu = 1.66 · 10-27 kg A X masa atomowa liczbaporządkowa Zakład Biofizyki CM UJ

5. Ew= - Δm·c2 1 amu = 931,5 MeV 1 eV = 1.601·10-19J Energia wiązania jądra atomowego Zakład Biofizyki CM UJ

6. Izotopyidentyczne Z, różne A wodór  3 izotopy 1H = p - proton 2H = d -deuter 3H = T - tryt jod  23 izotopy Z = 53, A = 117  139 Pierwiastki w przyrodzie to mieszanina izotopów, np. A dla Fe = 55,847 Zakład Biofizyki CM UJ

7. Izobary - identyczne A, różne Z 29Al, 29Si, 29P, 29S, 131 I, 131Xe Izomery - identyczna A i Z, różna energia wiązania 99mTc i 99Tc Zakład Biofizyki CM UJ

8. Stany energetyczne jądra wzbudzony Ew> E energia podstawowy E = Emin Zakład Biofizyki CM UJ

9. Jądra promieniotwórcze Promieniotwórczość naturalna: promieniotwórczość izotopów występujących w przyrodzie Promieniotwórczość sztuczna: promieniotwórczość izotopów uzyskiwanych w reakcjach jądrowych Zakład Biofizyki CM UJ

10. Rozpady promieniotwórcze 1. Rozpad β- jądro emituje elektron (neutron zamienia się w proton) 2. Rozpad β+ jądro emituje pozyton [antycząstkę elektronu – „elektron o ładunku +1”] EC (electron capture)  wychwyt elektronu orbitalnego 3. Rozpad α jądro emituje cząstkę α (jądro atomu helu) 4. Rozpad γ jądro emituje promieniowanie elektromagnetyczne Zakład Biofizyki CM UJ

11. Schemat poziomów - 99mTc i 99Tc Zakład Biofizyki CM UJ

12. Prawo rozpadu promieniotwórczego – czas pół-zaniku. 2,5h 5h 7,5h Problem 2 τ– średni czas życia jądra λ = 1/τ λ– stała rozpadu prawdopodobieństwo rozpadu jądra w jednostce czasu jest Zakład Biofizyki CM UJ

13. Prawo rozpadu promieniotwórczego N, N0 - liczba jąder promieniotwórczych t – czas Zakład Biofizyki CM UJ

14. Krzywa rozpadu N = N0·exp(-λ·t) N(T1/2) = ½ N0 T1/2 =(ln2)/λ = 0.693/λ Zakład Biofizyki CM UJ

15. Problem 3 Aktywność źródła promieniotwórczego A – liczba rozpadów w jednostce czasu A(t) = N(t) ·λ [A] = 1 Bq = 1 rozpad/s [A] = 1 Ci = 3.7*1010 rozpadów/s Zakład Biofizyki CM UJ

16. Czas połowicznego zaniku T1/2 = (ln2)/λ Prawo rozpadu promieniotwórczego Aktywność źródła w chwili t A = N(t) ·λ Zadanie Dysponujemy izotopem promieniotwórczym o czasie pół-zaniku 20 dni. Po jakim czasie aktywność tego izotopu zmaleje do ok. 3% aktywności początkowej? Dane: T1/2= 20 dni A = 3% A0 Szukane: t=? Niezbędne wzory: Zakład Biofizyki CM UJ

17. Budowa atomu- promieniowanie X Problem 4 Postulaty: 1. Elektrony mogą się znajdować tylko na tzw. „dozwolonych orbitach”. 2. Emisja i absorpcja energii zachodzi wyłącznie podczas przejść elektronów między dozwolonymi orbitami, ściśle określonymi porcjami. Zakład Biofizyki CM UJ

18. Elektrony w atomie - model budowy atomu Liczba elektronów na powłoce n: 2n2 K  2 L  8 M  18 Zakład Biofizyki CM UJ

19. Energia wiązania elektronów Mo (Z = 42) powłoka K 20.002 keV powłoka L 2.884 keV ÷ 2.523 keV W (Z = 74) powłoka K 69.508 keV powłoka L 12.090 keV ÷ 10.198 keV (powłoki walencyjne)  (5  20) eV Energia wiązania elektronu zależy od ładunku jądra atomowego (Z) i powłoki, na której znajduje się elektron. Zakład Biofizyki CM UJ

20. Mechanizm wytwarzania promieniowania X Wybijanie elektronów z wewnętrznych powłok atomowych (na miejsce wybitych elektronów wskakują elektrony z wyższych powłok oddając energię w formie charakterystycznego promieniowania X). Hamowanie w polu elektrycznym atomu (elektrony w polu elektrycznym atomu są odchylane i spowalniane, tracona energia jest emitowana w formie promieniowania hamowania). Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

21. Elektron wysokoenergetyczny Elektron wysokoenergetyczny 21 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

22. Widmo promieniowania hamowania 22 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

23. Widmo promieniowania charakterystycznego Usunięte przez filtr Energia fotonów [keV] 23 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

24. Problem 5 Budowa cząsteczek Zakład Biofizyki CM UJ

25. Wiązania kowalencyjne

26. Wiązania jonowe NaCl Na (K-2, L-8, M-1) Cl (K-2, L-8, M-7) Ne (K-2, L-8)  Na+ Ar (K-2, L-8, M-8)  Cl-

27. Wiązania Van der Waalsa

28. Wiązania wodorowe

29. Problem 6 Zasada działania glukometru. Zakład Biofizyki CM UJ

30. Glukometr kolorymetryczny 1. Plastikowa płytka 2. Otwór na krew 3. Związek chemiczny reagujący z krwią 4. Powierzchnia pomiarów Enzym oksydaza glukozowa C6H12O6 + H2O  C6H12O5 + H2O2 Glukozanadtlenek wodoru KI  K+ + I- Enzym  peroksydaza H2O2 + 2*I- + 2*H+ I2 + 2*H2O Zmiana koloru I2- brązowy Glukoza (75  115) mg/dL = (4.2  6.4) mmol/L Zakład Biofizyki CM UJ

31. Electrode Glukometr elektrochemiczny Elektroda Styki Elektroda referencyjna Zakład Biofizyki CM UJ

32. Problem 7 Stany skupienia materii Zakład Biofizyki CM UJ

33. Stany skupienia Gaz Ciecz Ciało stałe ~ 1019/cm3~ 1022/cm3~ 1023/cm3

34. Charakter oddziaływań i energia wiązań Gazy: 0 – 4 kJ/mol (brak oddziaływań lub van der Waalsa) Ciecze: 5 – 35 kJ/mol (wodorowe), 5 – 50 kJ/mol (dipolowe), poniżej 5 – 10 kJ/mol (van der Waalsa) Ciała stałe: 300 – 800 kJ/mol (jonowe), 200 – 400 kJ/mol (kowalencyjne)

35. Energiacząsteczek • Stan skupienia zależy od stosunku energii wiązań międzycząsteczkowych do średniej energii kinetycznej ruchu cząsteczek. • Miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek jest temperatura. k - stała Boltzmanna k = 1,38·10-23 J/K T - temperatura bezwzględna W temperaturze pokojowej (298 K)  Ek = 0,038 eV

36. Przejścia fazowe Zmiana energii cząsteczek • parowanie /wrzenie kondensacja / skraplanie • topnienie krystalizacja / zamarzanie • sublimacja resublimacja

37. Kryteria, wg których określamy stan skupienia ciała sprężystość ► duże K i G duże K, G ≈ 0 małe K, G ≈ 0 ( K – moduł sprężystości objętościowej, G – sztywności ) struktura ► duże małe brak uporządkowanie uporządkowanie uporządkowania

38. Problem 8 Lepkości i napięcie powierzchniowe cieczy. Zakład Biofizyki CM UJ

39. l F Δx . Napięcie powierzchniowe Miarą napięcia powierzchniowego jest praca, jaką trzeba wykonać, by utworzyć jednostkową powierzchnię cieczy, co można wyrazić wzorem: gdzie: • σ - napięcie powierzchniowe • W - praca potrzebna do utworzenia powierzchni A • A - pole powierzchni. Jednostka w układzie SI: J/m2 = N/m Zakład Biofizyki CM UJ l

40. Napięcie powierzchniowe woda – 73 · 10-3 N/m eter - 16 · 10-3 N/m żółć - 48 · 10-3 N/m mocz - 60 · 10-3 N/m T↑ > σ↓ Zakład Biofizyki CM UJ

41. Prawo Laplace’a Surfaktanty w pęcherzykach płucnych Zakład Biofizyki CM UJ

42. S V x F Jednostka: = 10 puaz Lepkość woda 1·10-3 Pa·s = 1 cpuaz komórki 1 – 200 cpuaz gliceryna ~ 1000 cpuaz krew ~ 4 cpuaz osocze ~ 1.2 cpuaz Powietrze ~ 0.018 cpuaz T↑ η↓ Zakład Biofizyki CM UJ

43. Wpływ hematokrytu na lepkość krwi

44. Problem 9 Straty wody wskutek oddychania. Zakład Biofizyki CM UJ

45. Straty wody wskutek oddychania. • Utrata wody przez płuca zależy również od temperatury własnej ciała i otoczenia oraz od wilgotności powietrza. W warunkach przeciętnych człowiek traci w ten sposób około 300 ml wody na dobę. Zakład Biofizyki CM UJ