Biofizyka - dziedzina naukowa z pogranicza fizyki i biologii zajmującą się badaniem procesów fizycznych w układach biologicznych (komórkach, tkankach, organach, organizmach i całych biocenozach), opisem struktur cząsteczek i badaniem ich funkcji w komórkach. W zakresie badania organicznych struktur cząsteczkowych biofizyka zazębia się z biochemią i trudne staje się ustalenie ścisłej granicy między tymi dwoma dyscyplinami naukowymi. Biofizyka zajmuje się również badaniem wpływu czynników fizycznych na przebieg procesów w układach biologicznych. Jest to dyscyplina naukowa stosująca prawa, zasady i metody fizyki do rozwiązywania problemów biologicznych.
Wiek biofizyki - biofizyka jest nauką bardzo młodą i dopiero kształtuje się jako samodzielna dyscyplina naukowa. Istnieją nawet pewne trudności w podaniu ścisłej definicji biofizyki. Uważa się, że biofizyka jako odrębna dyscyplina naukowa narodziła się w latach 50-siatych 20-tego wieku. Związek z innymi dyscyplinami Zajmowanie się biofizyką wymaga gruntownej znajomości matematyki, fizyki, chemii, biochemii, a nawet niektórych dziedzin techniki, takich jak elektronika i informatyka. Tym tłumaczy się dużą różnorodność problemów objętych programem nauczania przedmiotu biofizyka. Obecnie biofizyka jest jednym z podstawowych przedmiotów kształcenia studentów na uczelniach o profilu medycznym, ogólno przyrodniczym i fizycznym.
Opis ilościowy i jakościowy Biofizyka jest dyscypliną naukową powstałą w wyniku przyjęcia przedmiotu badań z biologii i metod badań z fizyki. Przedmiotem badań biologii jest materia ożywiona, natomiast przedmiotem
badań fizyki jest materia nieożywiona. W naukach biologicznych stosuje się przede wszystkim opis jakościowy rozważanych układów, procesów i zjawisk. Fizyka natomiast posługuje się głównie opisem ilościowym . Zastosowanie do badań biologicznych mikroskopu elektronowego lub innych metod fizycznych nie jest jeszcze biofizyką. W biofizyce chodzi bardziej o interpretacje fizyczne wyników doświadczeń na podstawie praw fizyki. Odkrywane pomiędzy wielkościami fizycznymi zależności funkcyjne pozwalają na sformułowanie praw ilościowych, wyrażonych za pomocą odpowiednich wzorów matematycznych.
Prekursorzy biofizyki • Luigi Galvani (1737-1798) • Thomas Young (1773-1829) • Julius Robert von Mayer (1814-1878) • Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894)
Bardzo szybki rozwój biofizyki obserwuje się dopiero w ostatnich kilku dziesięcioleciach. Wyprzedziła w tym względzie biofizykę biochemia wskutek tego, że chemia znacznie wcześniej i intensywniej weszła na usługi nauk biologicznych.
Fizyka medyczna (biofizyka medyczna) – prekursorem jest Herman von Helmholtz. Zajmuje się zastosowaniem metod fizycznych w medycynie (np. radiodiagnostyka, radioterapia, fizykoterapia, dozymetria).
Modelowanie biofizyczne
Złożoność układów biologicznych Nawet najprostsze układy biologiczne i zachodzące w nich procesy, są niezwykle złożone, przez co niemożliwe jest ich równoczesne szczegółowe badanie. Dlatego też w praktyce zachodzi konieczność wyboru uproszczonego sposobu postępowania umożliwiającego rozwiązanie konkretnego problemu badawczego, diagnostycznego lub terapeutycznego. Tego rodzaju uproszczenia są przedmiotem modelowania
biofizycznego. Model biofizyczny - konstrukcja geometryczna, mechaniczna, elektryczna, elektroniczna lub matematyczna mającą na celu odwzorowanie struktury albo przebiegu zjawiska dla unaocznienia, zrozumienia
oraz wyjaśnienia obserwowanych procesów i zależności.
Właściwości heurystyczne modelu Dobrze skonstruowany model ma również właściwości heurystyczne pozwalające wykryć nowe fakty i związki między faktami, stawiać nowe hipotezy, sprawdzać je itp. Ze względu na tą własność modelowanie ma znaczenie nie tylko w nauce, ale również w medycynie praktycznej. Na przykład na podstawie badań matematycznych w oparciu o zebrane informacje o chorym oraz o odpowiednie modele matematyczne można przewidywać kierunki rozwoju choroby itp.
Rodzaje modeli:
Modele biologiczne Na tych modelach bada się ogólne prawa biologiczne, procesy patologiczne, działanie różnych środków chemicznych, leków, wpływu czynników fizycznych itp. Do grupy tych modeli zaliczamy zwierzęta doświadczalne, izolowane komórki i tkanki, organelle komórkowe itp.
Modele fizyczne Są to modele zawierające układy elementów mechanicznych, hydraulicznych, elektrycznych, elektronicznych itp. Umożliwiają one naśladowanie określonych procesów biologicznych przez procesy fizyczne, dzięki czemu uzyskuje się łatwość obserwacji oraz analizy. Przykładem jest model hydrauliczny obiegu krwi
(serce, tętnica, żyły itp.) zastępuje się odpowiednimi układami w postaci pompy, przewodów elektrycznych, itp.
Analogowe modele fizyczne i matematyczne W modelach tych układ rzeczywisty zastępuje się układem innego
rodzaju, przy czym nowy układ opisuje się takimi samymi równaniami matematycznymi jak układ rzeczywisty. Z kolei
parametry równań dla układu analogowego są odpowiednio proporcjonalne do parametrów równań dla układu rzeczywistego. W skład modelu analogowego wchodzą elementy elektryczne, elektroniczne, itp. Odpowiednie maszyny analogowe pozwalają bezpośrednio obserwować przebiegi czasowe tych wielkości oraz badać zależność ich przebiegów od odpowiednich parametrów. Dzięki temu można sprawdzać przyjęte założenia początkowe,
szczegółowo opisać przebieg badanego zjawiska oraz przewidzieć nowe fakty – trudne lub wręcz niemożliwe do zaobserwowania na obiekcie rzeczywistym. Na przykład zjawiska związane z przepływem krwi możemy badać na modelu złożonym z obwodu RLC.
Analogowy model elektryczny przepływu krwi przez tętnicę.
U – zmienne napięcie (siła elektromotoryczna) zastępuje zmianę ciśnienia w komorach serca,
R – zastępuje opór hydrodynamiczny krwi,
L – zastępuje bezwładność krwi,
C – zastępuje pojemność hydrodynamiczną tętnicy.
Napięcie U zadajemy w taki sposób aby jego zmiana przybliżała
zmianę ciśnienia w komorze serca.
Opór elektryczny R opisujemy wzorem na opór hydrodynamiczny
krwi wynikający z prawa Poisseuille’a , czyli R=8∙π∙ƞS2
gdzie ƞ jest współczynnikiem lepkości krwi, natomiast S – polem przekroju poprzecznego tętnicy.
Indukcyjność opisujemy wzorem: L=ρS
gdzie ρ jest gęstością krwi.
Źródłem indukcyjności hydrodynamicznej jest bezwładność krwi w jej ruchu pulsacyjnym, zachodzącym pod wpływem zmian ciśnienia napędowego, podobnie jak w obwodzie prądu zmiennego źródłem indukcyjności elektrycznej jest bezwładność elektronów. Pojemność elektryczna C zastępuje w układzie krążenia pojemność hydrodynamiczną naczyń krwionośnych związaną z ich właściwościami geometrycznymi i biomechanicznymi. Jest ona wyrażona wzorem: C=2∙r∙SE∙h , gdzie r jest promieniem naczynia krwionośnego, h grubością ścianki naczynia, E modułem sprężystości.
Modele matematyczne Są to układy równań matematycznych, które wiążą ze sobą różne zmienne zależne od parametrów badanego układu i czasu. Zmiennymi mogą być na przykład stężenia składników biochemicznych krwi i innych cieczy ustrojowych, liczebność populacji i wszelkie wielkości charakteryzujące badane obiekty biologiczne.
Przy tworzeniu modeli matematycznych wykorzystuje się prawa opisujące dany proces. Modelowanie matematyczne ma wiele ważnych zalet. Na przykład zależności ilościowe, przedstawione w postaci wykresów oraz wzorów, pozwalają w sposób ekonomiczny i dokładny analizować otrzymane wyniki badań.
Prawidłowo skonstruowany model matematyczny pozwala zaoszczędzić czas badań i ograniczyć liczbę doświadczeń. Ponadto ułatwia programowanie przebiegu różnych procesów, takich jak proces leczniczy, postępowanie terapeutyczne, wybór wariantu leczenia, wybór odpowiedniego leku, itp. W modelach matematycznych można analizować zależności niezależne i zależne od czasu. W pierwszym przypadku mówimy o modelach statycznych , a w drugim o modelach dynamicznych . W modelach dynamicznych badamy często kinetykę przebiegu określonego
procesu, na przykład zmianę stężenia leku we krwi w czasie przy różnych sposobach częstotliwości podawania.
Modele statyczne Jeżeli badamy zależność pomiędzy dwoma wielkościami x i y niezależnymi od czasu oraz uważamy, że jest ona liniowa to stosujemy wzór: y=ax+b, gdzie x i y są zmiennymi, natomiast a i b parametrami. W następnym etapie sprawdzamy doświadczalnie czy założona zależność jest spełniona.
Modele dynamiczne Modele te mają postać równań różniczkowych zawierających pochodne względem czasu.
Przykład: Kinetyka prostego procesu zaniku stężenia leku w organizmie po podaniu dożylnym może być opisana równaniem:dcdt=-kc , w którym c oznacza stężenie leku w czasie t , natomiast k jest stałą szybkości zaniku stężenia leku.
Po scałkowaniu powyższego równania otrzymujemy:c=c₀e⁻ᵏᵗ gdzie c0 jest stężeniem leku w organizmie bezpośrednio po podaniu, czyli w czasie t = 0, e jest podstawą logarytmów naturalnych (e=2.72…). W oparciu o otrzymany wzór możemy wyznaczyć wykres zależności stężenia leku c od czasu t .
Cyfrowe modele fizyczne i matematyczne Przykładem cyfrowych modeli fizycznych i matematycznych mogą być
sieci neuronowe wykorzystywane w technice komputerowej i sterowaniu maszyn. Są to układy połączeń elektronicznych zbudowane na wzór połączeń neuronów w organizmach zwierzęcych. Tworzą one tzw. sztuczną inteligencję, gdyż sieci takie same mogą się uczyć podczas działania. Podobnie jak w przypadku układu nerwowego u zwierząt pobudzenie pojedynczego neuronu jest możliwe tylko bodźcem ponadprogowym, natomiast bodźce
niższe od bodźca progowego nie wywołują pobudzenia neuronu. Tak więc mamy do czynienia z dwoma stanami neuronu: stan niepobudzony i stan pobudzony podobnie jak w przypadku najprostszych bramek w technice cyfrowej.
Sieć neuronowa ( sztuczna sieć neuronowa ) to ogólna nazwa struktur matematycznych i ich programowych lub sprzętowych modeli, realizujących obliczenia lub przetwarzanie sygnałów poprzez rzędy elementów, zwanych sztucznymi neuronami, wykonujących pewną podstawową operację na swoim wejściu. Inspiracją opracowania takiej
struktury była budowa naturalnych neuronów oraz układów neuronów, w szczególności mózgu.
Istnieją dwa zasadnicze procesy dostarczające energii żywym układom:
·utlenianie substancji,
·fotosynteza.
W komórkach heterotroficznych źródłem energii jest utlenianie produktów pokarmowych pochodzących z procesów fotosyntezy odbywających się w komórkach autotroficznych. Krążenie energii w świecie roślin i zwierząt związane jest zawsze z krążeniem węgla i tlenu.
Procesy oksydoredukcyjne Reakcja składająca się z reakcji utleniania i reakcji redukcji nazywa się reakcją utleniająco - redukcyjną lub oksydoredukcyjną . Reakcja utleniania sprowadza się do oddawania elektronów przez
substraty utlenione. Przykład: Fe2+→Fe3++e- (reakcja utleniania)
W reakcji tej jon dwuwartościowy żelazawy zostaje utleniony do trójwartościowego jonu żelazowego z uwolnieniem jednego elektronu.
Reakcje utleniania zachodzą zazwyczaj w obecności innych substratów. Stąd też uwolniony w reakcji utleniania elektron może być przyjęty przez inny jon np. jon wodorowy (H⁻), który ulega redukcji. Tak więc reakcjom utleniania towarzyszą zwykle reakcje redukcji.
Reakcja redukcji sprowadza się do przyjmowania elektronów przez substraty zredukowane.
Przykład: H++e-→12H2 (reakcja redukcji).
Jeżeli reakcje utleniania i redukcji zachodzą jednocześnie wówczas mamy do czynienia z reakcją utleniająco - redukcyjną czyli oksydoredukcyjną . Reakcje te są zazwyczaj odwracalne.
Utlenienie określonego substratu (oderwanie elektronów) wymaga wykonania pracy elektrycznej. Praca wykonana na układzie n moli utlenionego substratu powiększy jego entalpię swobodną Δ G zgodnie ze wzorem: ∆G=z∙n∙F∙E, gdzie z∙n∙F oznacza łączny ładunek elektryczny powstający w procesie utleniania, n – liczbę moli substratu utlenianego, F – stałą Faradaya, z – liczbę elektronów biorących udział w pojedynczej reakcji utleniania czy redukcji, E – potencjał oksydoredukcyjny opisany wzorem: E=E0+R∙Tz∙F∙lnCoxCsd, w którym E0 oznacza standardowy potencjał oksydoredukcyjny (w temperaturze 298 K , ciśnieniu 101320 Pa, pH = 0 i jednakowych stężeniach substratu w stanie ox lub sd ).
Zwykle mówimy, że w procesach oksydoredukcyjnych przenoszone są atomy wodoru od zredukowanych substratów na atomy tlenu lub przenoszone są elektrony z układów o niskim potencjale oksydoredukcyjnym na tlen. Procesy utleniania odbywają się w mitochondriach (organellach o kształcie zbliżonym zwykle do elipsoidalnego i wymiarach rzędu kilku mikrometrów). Mitochondria otoczone są dwoma warstwami błon lipidowo-białkowych, z których wewnętrzna ma charakterystyczne uwypuklenia (grzebienie mitochondrialne) sięgające głęboko do jego wnętrza i powierzchnia błony wewnętrznej jest wielokrotnie większa od powierzchni błony zewnętrznej. Na błonie wewnętrznej osadzone są kompleksy enzymów katalizujących procesy utleniania i sprzężone z nimi procesy fosforylacji ADP do ATP. Proces fosforylacji pozwala na zachowanie części energii procesów utleniania w postaci nadającej się do wykorzystania dla prowadzenia innych przemian w żywej komórce.
Warunkiem niezbędnym dla zaistnienia sprzężenia utlenień z fosforylacją jest odpowiednie rozmieszczenie przestrzenne cząsteczek substratów i enzymów biorących udział w tych procesach. Rozmieszczenie to jest zapewnione przez związanie czynnych elementów z błoną mitochondrialną.
Potencjał oksydoredukcyjny najbardziej zredukowanych substratów w organizmach wynosi około -0,66 mV. Potencjał substratów, od którego zaczynają się procesy utleniania w mitochondriach, wynosi około -0,30
mV. Przeniesienie pary elektronów od takiego potencjału do +0,82 mV (potencjał oksydoredukcyjny tlenu) odpowiada zmianie entalpii swobodnej o –218 kJ·mol.
Wydajności energetyczna opisanych wyżej procesów utleniania, dostarczających komórce energii są rzędu 20-30%. Pozostała część energii wydzielana jest w postaci ciepła towarzyszącego reakcjom chemicznym i zostaje rozproszona w otoczeniu. Z punktu widzenia termodynamiki procesy oksydoredukcyjne są przemianami zwiększającymi entropię, mogą więc przebiegać samorzutnie. Powiązanie ich z tworzeniem ATP przez fosforylację ADP jest przykładem sprzężenia termodynamicznego zachodzącego w układzie otwartym, jakim jest żywa komórka lub żywy organizm.
Zużytkowanie energii przez komórkę Energia uzyskiwana przez komórkę w drodze procesów oksydoredukcyjnych
bądź fotosyntezy jest przejściowo magazynowana w związkach wysokoenergetycznych (głównie ATP), a następnie wykorzystywana do wykonania „pracy”.
Wyróżnia się 4 zasadnicze rodzaje pracy wykonywanej przez komórki oraz ciepło przemian metabolicznych.
Praca biosyntezy (praca chemiczna) Synteza wielu związków w komórce jest procesem endoergicznym
wymagającym dostarczania energii swobodnej. Przykładem może być synteza wiązania peptydowego, dla której zmiana entalpii swobodnej wynosi około 17 kJ na wiązanie 1 mola. Tego samego rzędu są energie syntezy diestrowych wiązań w kwasach nukleinowych i glikozydowych wiązań w polisacharydach.
Obliczono, że w komórce bakterii Eschericha coli w ciągu sekundy dokonuje się synteza około 10 cząsteczek RNA, 1400 cząsteczek białek, 30 cząsteczek polisacharydów i 12000 cząsteczek lipidów. Ponadto w ciągu swego 20-minutowego cyklu życia, komórka syntetyzuje 2 cząsteczki DNA o masie cząsteczkowej 2 ·106. Procesy te wymagają zużycia (hydrolizy) około 2,5 · 109 cząsteczek ATP. Warto zaznaczyć, że w danym momencie w komórce E.coli znajduje się około 1·106 cząsteczek ATP. Widać więc, że ilość tego związku musi się kilkakrotnie odnawiać w ciągu sekundy. Odbywa się to wskutek tlenowej przemiany glukozy, która jest głównym źródłem energii dla E.coli.
Praca osmotyczna (praca transportu) Wykorzystywana jest do utrzymania właściwego stężenia jonów i innych
składników w komórce. Bezpośrednim źródłem energii dla utrzymania różnego stężenia jonów jest pompa jonowa wykorzystująca energię ATP. Zjawiska elektryczne zachodzące w komórce są także konsekwencją pracy transportu.
Praca elektryczna Jest związana z transportem ładunków elektrycznych uwolnionych w procesie utleniania w polu elektrycznym. Utlenianie określonego substratu (oderwanie elektronów) wymaga wykonania pracy elektrycznej.
Praca mechaniczna Najbardziej zauważalnym przykładem wykonania pracy mechanicznej przez żywy organizm jest skurcz mięśni. Jednakże z podobnymi lub analogicznymi procesami mamy do czynienia w każdej komórce. Innym przykładem jest ruch protoplazmy w komórce. Jest to zazwyczaj ruch powolny, o prędkości rzędu mikrometra na minutę. W niektórych komórkach ruch ten może być znacznie intensywniejszy, prowadzący do uwypukleń błony komórkowej i zmian położenia komórki. Tak poruszają się ameby. Podobnie mogą przemieszczać się krwinki białe. Istota tego ruchu jest analogiczna do zjawisk ruchu w komórkach mięśniowych.
Ciepło Każdej z wyżej opisanych przemian energetycznych towarzyszy dodatkowo zamiana części energii na ciepło i rozpraszanie tego ciepła do otoczenia. Jednakże wyższe organizmy zwierzęce wykorzystują częściowo nawet tę
„odpadową” część energii na utrzymania określonej temperatury ciała, zapewniającej optymalny przebieg procesów życiowych.
Sprężystość i wytrzymałość
Stany skupienia materii Elementy strukturalne materii o różnych poziomach organizacji (atomy, cząsteczki, makrocząsteczki) przy odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu wiążą się w większe kompleksy tworząc różne stany skupienia materii. Różnorodność stanów, w których występuje materia zależy od różnorodnej konfiguracji atomów, jonów i cząsteczek oraz ich wzajemnych oddziaływań. Struktura materii zależna jest od stanu skupienia, w którym się ona znajduje. Materia może występować w czterech stanach skupienia: gazowym, ciekłym,
stałym i plazmowym. Stan plazmowy – materia znajduje się w nim w postaci całkowicie zjonizowanej. W biofizyce wyróżnia się jeszcze dwa stany skupienia: stany powierzchniowe i makrocząsteczki. Makrocząsteczki są głównymi składnikami organizmów żywych (komórek, tkanek i narządów).
Funkcje układów biologicznych są zależne od zmian strukturalnych stanów makrocząsteczkowych, natomiast stan, w którym występuje dana makrocząsteczka zależy głównie od wielkości sił międzycząsteczkowych działających przy danym ciśnieniu i temperaturze. Podziału materii na stan gazowy, ciekły i stały dokonuje się głównie ze względu właściwości sprężyste danej substancji i jej budowę strukturalną.
Właściwości sprężyste substancji opisuje się za pomocą odpowiednich współczynników, wyrażających odporność substancji na siły wywołujące ich odkształcanie. Współczynniki te noszą nazwę modułów sprężystości.
Wyróżnia się:
·proste odkształcenie objętości,
· proste odkształcenie postaci (kształtu)
·odkształcenia złożone występujące przy wydłużaniu, skręcaniu i zginaniu.
Proste odkształcenie objętości występuje wówczas gdy na ciało działa ciśnienie rozłożone równomiernie ze wszystkich stron. Ciśnienie to nosi nazwę naprężenia normalnego σ i określone jest wzorem: σ=F∆S , gdzie F oznacza wypadkową wszystkich sił działających na element powierzchni ΔS.
Miarą odkształcenia objętości jest wielkość ε określona wzorem: ε=∆VV0=V-V0V0 , gdzie V0 jest objętością początkową ciała (przed odkształceniem), natomiast V objętością końcową ciała (po odkształceniu).
W przypadku odkształcenie liniowego mamy: ε=∆ll0=l-l0l0 , gdzie l0 jest długością początkową ciała (przed odkształceniem), natomiast l długością końcową ciała (po odkształceniu).
Proste odkształcenie postaci występuje wówczas gdy na ciało działa siła skierowana stycznie do powierzchni. Ciśnienie to nosi nazwę naprężenia stycznego ...
Alessa0706