Podstawowe zadanie współczesnych nauk biologicznych: Badanie procesów życiowych z uwzględnieniem struktur biologicznych, w których te procesy zachodzą

Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny i chemiczny) spowodował powstanie dwóch nowych dyscyplin nauki:

Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny i chemiczny) spowodował powstanie dwóch nowych dyscyplin nauki: biochemii

Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny i chemiczny) spowodował powstanie dwóch nowych dyscyplin nauki: biochemii biofizyki

Biofizyka Stosunkowo nowa dyscyplina badań interdyscyplinarnych wyrosła na gruncie:

Biofizyka Stosunkowo nowa dyscyplina badań interdyscyplinarnych wyrosła na gruncie: BIOLOGII (pojmowanej jako nauka o organizmach żywych)

Biofizyka Stosunkowo nowa dyscyplina badań interdyscyplinarnych wyrosła na gruncie: BIOLOGII (pojmowanej jako nauka o organizmach żywych) FIZYKI (nauki zajmującej się badaniem określonej klasy zjawisk – zjawisk fizycznych zachodzących na poziomie materii nieożywionej)

BIOLOGIA FIZYKA BIOFIZYKA

Zadania biofizyki

Zadania biofizyki Badanie zjawisk życiowych metodami fizycznymi

Zadania biofizyki Badanie zjawisk życiowych metodami fizycznymi Badanie zjawisk i procesów biologicznych zachodzących w żywych organizmach

Zadania biofizyki Badanie zjawisk życiowych metodami fizycznymi Badanie zjawisk i procesów biologicznych zachodzących w żywych organizmach Specyficzna interpretacja zjawisk życiowych, oparta na metodologii zapożyczonej z nauk fizycznych

Piśmiennictwo: Ibron G., 1999: Podstawy biofizyki, Wyd. ART. Olsztyn Bryszewska M., Leyko W. (reds.), 1997: Biofizyka dla biologów, PWN Warszawa Bryszewska M., Leyko W. (reds.), 1981: Biofizyka kwasów nukleinowych dla biologów, PWN Warszawa Jóźwiak Z., Bartosz G. (reds.), 2005: Biofizyka. Wybrane zagadnienia wraz z ćwiczeniami. PWN Warszawa

WIELKOŚCI FIZYCZNE BAZOWE: Temperatura (T), Czas (t), Długość (l), Masa (m)

WIELKOŚCI FIZYCZNE POCHODNE: BAZOWE: Prędkość (V=l/t, gdzie l-droga, t-czas), Przyspieszenie(a=V/t), Pęd (p=mV, gdzie m-masa) BAZOWE: Temperatura (T), Czas (t), Długość (l), Masa (m)

POMIAR WIELKOŚCI FIZYCZNYCH: Wyznaczanie ich wartości liczbowych

POMIAR WIELKOŚCI FIZYCZNYCH: Wyznaczanie ich wartości liczbowych WARTOŚCI LICZBOWE WIELKOŚCI FIZYCZNYCH muszą być podawane w odpowiednich jednostkach

Wielkości bazowe i ich jednostki w układzie SI Jednostka miary Definicja jednostki nazwa oznaczenie Jednostki podstawowe Długość metr m 1650763,73 x długość fali w próżni (promieniowania przejścia atomu 86Kr między poziomami 2p10 a 5d5 Masa kilogram kg Masa międzynarodowego wzorca przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres Czas sekunda s 9192631770 x okres promieniowania odpowiadającemu przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego 133Cs Prąd elektry-czny amper A Prąd płynący w dwóch równoległych, nieskończenie długich przewodach, o przekroju nieskończenie małym, umieszczonych w próżni w odległości 1m, oddziaływujących na siebie z siłą 2x 10-7N (niutona) na każdy metr długości

Wielkości bazowe i ich jednostki w układzie SI Jednostki uzupełniające Jednostka miary Definicja jednostki nazwa oznaczenie Jednostki podstawowe Tempe-ratura Kelwin K 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody Liczność materii mol Liczność materii towarzyszącej liczbie cząsteczek równej liczbie atomów występujących w 0,012 kg 12C Świat-łość kandela cd Światłość w kierunku prostopadłym 1/600000m2 promiennika zupełnego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem 101325 Pa Jednostki uzupełniające Kąt płaski radian rad Kąt płaski zawarty między dwoma promieniami koła, wycinającymi z jego okręgu łuk o długości równej promieniowi tego koła 1 rad = 1m : (1 m) = 1

Wielkości bazowe i ich jednostki w układzie SI Jednostki uzupełniające Jednostka miary Definicja jednostki nazwa oznaczenie Jednostki uzupełniające Kąt bryłowy steradian sr Kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli, wycinający z jej powierzchni część równą powierzchni kwadratu o boku równym promieniowi tej kuli 1 rad = 1m2 : (1 m2) = 1

Przedrostki dla jednostek wielokrotnych i podwielokrotnych Mnożnik Przedrostek Skrót Przykład zastosowania 1012 tera T teragram – Tg = 1012g 109 giga G gigagram – Gg = 109g 106 mega M megagram – Mg = 106g 103 kilo k kilogram – kg = 103g 102 hekto h hektogram – hg = 102g 101 deka da dekagram – dag = 101g 1 - gram – g 10-1 decy d decygram – dg = 10-1g 10-2 centy c centygram – cg = 10-2g 10-3 mili m miligram – mg = 10-3g 10-6 mikro mikrogram – mg = 10-6g 10-9 nano n nanogram – ng = 10-9g 10-12 piko p pikogram – pg = 10-12g 10-15 femto f femtogram – fg = 10-15g 10-18 atto a attogram – ag = 10-18g

PROCESY ŻYCIOWE SIĘGAJĄ AŻ DO POZIOMU SUBMOLEKULARNEGO OTACZAJĄCY ŚWIAT: Mikroskopowy Makroskopowy Widzialny . PROCESY ŻYCIOWE SIĘGAJĄ AŻ DO POZIOMU SUBMOLEKULARNEGO MATERII OŻYWIONEJ

Świat widzialny

Świat makroskopowy

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r  6,37 x 106 m i obwodzie 2R  4 x 107 m

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r  6,37 x 106 m i obwodzie 2R  4 x 107 m Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości lk  3,8 x 108 m, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości lz1,5 x 1011 m

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r  6,37 x 106 m i obwodzie 2R  4 x 107 m Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości lk  3,8 x 108 m, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości lz1,5 x 1011 m Odległość Syriusza od Słońca wynosi około 1011 m (Hoygens, XVII wiek)

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r  6,37 x 106 m i obwodzie 2R  4 x 107 m Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości lk  3,8 x 108 m, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości lz1,5 x 1011 m Odległość Syriusza od Słońca wynosi około 1011 m (Hoygens, XVII wiek) Jedna z najbliższych galaktyk – M 31 w Andromedzie znajduje się w odległości 1017 m

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r  6,37 x 106 m i obwodzie 2R  4 x 107 m Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości lk  3,8 x 108 m, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości lz1,5 x 1011 m Odległość Syriusza od Słońca wynosi około 1011 m (Hoygens, XVII wiek) Jedna z najbliższych galaktyk – M 31 w Andromedzie znajduje się w odległości 1017 m Odkrycie kwazarów (obiekty o olbrzymiej mocy promieniowania elektromagnetycznego) w odległości 1026 m

Świat mikroskopowy

Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego

Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 10-10 m (Loschmidt, 1865)

Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 10-10 m (Loschmidt, 1865) Odkrycie i ustalenie rozmiarów jądra atomowego 10-14 m (Rutherford, 1911)

Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 10-10 m (Loschmidt, 1865) Odkrycie i ustalenie rozmiarów jądra atomowego 10-14 m (Rutherford, 1911) Obliczenie rozmiarów nukleonów (protonów i neutronów) ok. 10-15 m

Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 10-10 m (Loschmidt, 1865) Odkrycie i ustalenie rozmiarów jądra atomowego 10-14 m (Rutherford, 1911) Obliczenie rozmiarów nukleonów (protonów i neutronów) ok. 10-15 m Ustalenie, że rozmiary np. leptonów czy mezonów są mniejsze od 10-15 m

ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE Grawitacyjne: prawo powszechnego ciążenia Newtona. Zasięg oddziaływań praktycznie nieograniczony gdzie stała grawitacji G = 6,67 x 10-11 [Nm2kg-2]

ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE Grawitacyjne: prawo powszechnego ciążenia Newtona. Zasięg oddziaływań praktycznie nieograniczony gdzie stała grawitacji G = 6,67 x 10-11 [Nm2kg-2] Elektromagnetyczne: prawo Coulomba. Zasięg praktycznie nieograniczony gdzie przenikalność 0 = 8,85 x 10-12 [C2N-1m-2]

ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE Silne (jądrowe): zasięg bardzo krótki bo do 10-15m

ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE Silne (jądrowe): zasięg bardzo krótki bo do 10-15m Słabe: odpowiedzialne za rozpady wielu cząsteczek elementarnych i spontaniczne przemiany  jąder atomowych; zasięg <10-15m

Cząsteczki elementarne Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość Foton 1 Trwały Leptony Neutrina Neutrino elektronowe 1/2 Trwałe Antyneutrino elektronowe Neutrino mionowe Antyneutrino mionowe Elektrony Elektron -1 Pozyton +1 Miony Mion (mi-minus) 206,8 2,2 x 10-6 (mi-plus)

Cząsteczki elementarne Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość Mezony Piony Pion (pi zero) 264,2 0,9 x 10-16 Pion (pi plus) 273,2 +1 2,6 x 10-8 Pion (pi minus) -1 Kaony Kaon (ka plus) 966,6 1,2 x 10-8 (ka minus) (ka zero) 974 1,0 x 10-10 Antykaon 6,0 x 10-8 Etame-zony Eta zero (eton) 1074 3,0 x 10-19

Cząsteczki elementarne Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość Bariony Nukleony Proton 1836,1 +1 1/2 Trwały Antyproton -1 Neutron 1838,6 1,0 x 103 Antyneutron 1838,5 932 Hiperony Lambda 2182,8 2,5 x 10-10 Antylambda Sigma plus 2327,7 0,8 x 10-10 Antysigma plus Sigma zero 2331,8 10-14 Antysigma zero Sigma minus 2340,5 1,5 x 10-10 Antysigma minus

Cząsteczki elementarne Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość Bariony Hiperony Ksi zero 2565 1/2 3,0 x 10-10 Antyksi zero Ksi minus 2580 -1 1,7 x 10-10 Antyksi minus +1 Omega minus 3260 3/2 1,3 x 10-10 Antyomega minus

Atomy tego samego pierwiastka mają takie same liczby protonów w jądrze Pierwiastki chemiczne Atomy tego samego pierwiastka mają takie same liczby protonów w jądrze

Pierwiastki chemiczne IZOTOPY: odmiany tego samego pierwiastka różniące się masą atomową, co wynika z różnej liczby neutronów w jądrze, np. izotopy wodoru: 1H, 2H, 3H AnZX

Pierwiastki chemiczne IZOTOPY: odmiany tego samego pierwiastka różniące się masą atomową, co wynika z różnej liczby neutronów w jądrze, np. izotopy wodoru: 1H, 2H, 3H AnZX IZOBARY: odmiany pierwiastka o takiej samej liczbie masowej A, ,a różniące się liczbą atomową Z AZ nX

Pierwiastki chemiczne IZOTOPY: odmiany tego samego pierwiastka różniące się masą atomową, co wynika z różnej liczby neutronów w jądrze, np. izotopy wodoru: 1H, 2H, 3H AnZX IZOBARY: odmiany pierwiastka o takiej samej liczbie masowej A, ,a różniące się liczbą atomową Z AZ nX IZOMERY: odmiany pierwiastka o takiej samej liczbie masowej A i atomowej Z, a różniące się stanem energetycznym jądra AZX*

Cechy jądra atomowego: Jądro atomowe Cechy jądra atomowego: Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x e, gdzie Z – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10-19C – określa ładunek elektryczny

Cechy jądra atomowego: Jądro atomowe Cechy jądra atomowego: Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x e, gdzie Z – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10-19C – określa ładunek elektryczny Średnica jądra wynosi 10-15m

Cechy jądra atomowego: Jądro atomowe Cechy jądra atomowego: Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x e, gdzie Z – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10-19C – określa ładunek elektryczny Średnica jądra wynosi 10-15m Masa waha się w granicach 10-25kg - 10-27kg

Cechy jądra atomowego: Jądro atomowe Cechy jądra atomowego: Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x e, gdzie Z – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10-19C – określa ładunek elektryczny Średnica jądra wynosi 10-15m Masa waha się w granicach 10-25kg - 10-27kg Gęstość w przypadku jądra uranu osiąga 1017kg/m3. Jest to wartość porównywalna jedynie z gęstością białych karłów czyli pulsarów!

Energia wiązania nukleonów w jądrze określana jest równaniem: Jądro atomowe Energia wiązania nukleonów w jądrze określana jest równaniem: E = mc2

Energia wiązania nukleonów w jądrze określana jest równaniem: Jądro atomowe Energia wiązania nukleonów w jądrze określana jest równaniem: E = mc2 Defekt masy jest to nierówność sumy mas nukleonów z masą otrzymanego w wyniku ich połączenia jądra: M = ZMP + (A – Z) x Mn - Mj

Wiązania chemiczne Cząsteczki chemiczne Jonowe (elektrapolarne, heteropolarne) powstają między atomami o różnej elektroujemności, np. Na+ + Cl- = NaCl

Wiązania kowalencyjne mają charakter przestrzenny Cząsteczki chemiczne Wiązania chemiczne Jonowe (elektrapolarne, heteropolarne) powstają między atomami o różnej elektroujemności, np. Na+ + Cl- = NaCl Kowalencyjne (atomowe, homopolarne). Elementem łączącym jest tu orbital molekularny, np. H2, Cl2, H2O Wiązania kowalencyjne mają charakter przestrzenny

Zhybrydyzowane orbitale  w cząsteczce metanu Cząsteczki chemiczne Wiązania chemiczne Wiązanie  w cząsteczce wody Zhybrydyzowane orbitale  w cząsteczce metanu

Hybrydyzacja sp2 w etylenie Cząsteczki chemiczne Wiązania chemiczne Hybrydyzacja sp2 w etylenie

Modele wiązań chemicznych w cząsteczce benzenu Cząsteczki chemiczne Wiązania chemiczne Modele wiązań chemicznych w cząsteczce benzenu