Biofizika alapjai

A biofizika alapjai
tematika és tételjegyzék
(a fizika alapképzésben résztvevő hallgatók számára, felelős oktató: Maróti Péter)
Transzportfolyamatok
1. A transzportfolyamatok áramai és hajtóerői közti összefüggés
(az Onsager egyenletek, kereszteffektusok, példa biológiai alkalmazásra)
Az összenyomhatatlan és az ideális folyadékok és gázok áramlása.
(a kontinuitási egyenlet, az áramerősség meghatározása injekciós módszerrel, Fick
nulladik törvénye, Bernoulli törvénye)
2. Súrlódó folyadékok áramlása.
(a Newton-féle súrlódási törvény, a folyadékok viszkozitásának hõmérsékletfüggése (a
Frenkel-féle lyukelmélet), a Hagen-Poiseuille -törvény és biológia-orvosi vonatkozásai,
viszkoziméterek és alkalmazásaik a biológiában és az orvostudományban)
3. Lamináris és turbulens áramlás. Lüktető áramlás rugalmas falú csövekben. Nem-newtoni
folyadékok, a vér áramlási sajátságai.
4. A diffúzió alaptörvényei (Fick első és második törvénye). Az egydimenziós szabad diffúzió
és szerepe a vörös-vértestek gázcseréjében.
5. A szövetek oxigénellátásának modellje.
(Henry törvénye, a vér (hemoglobin) oxigénfelvétele, a Bohr-effektus, az emberi agykéreg
oxigénellátásának modellje)
6. A hőcsere formái: a hővezetés, a hőkonvekció és a hősugárzás. A Newton-féle lehűlési
törvény. Hőleadás párologtatással. Az emberi test hőcseréje a környezetével. A
hőközlés/hőelvonás biológiai és orvosi alkalmazásai.
Egyensúlyi termodinamika
7. A termodinamika első és második főtétele.
(az I. főtétel és alkalmazása élő rendszerekre (fotoszintézis, Hess törvénye),
termodinamikai valószínűség, a Boltzmann-eloszlás, az entrópia statisztikai és
fenomenológiai értelmezése, entrópiaváltozások speciális folyamatokban, az
entrópiatétel)
8. A Gibbs-féle (szabad)energia.
(definíciója, a hasznosítható munka maximuma, a termodinamika II. főtételének
megfogalmazása a Gibbs-energia segítségével, a Gibbs-Helmholtz egyenlet és
alkalmazásai: biomolekulák konformáció-változásai, a hidrofób kölcsönhatás)
Kvantitatív bioenergetika
9. Egyensúlyra vezető reakciók Gibbs-energiája oldatokban. A Gibbs-energiaváltozás egyik
megnyilvánulása: a foszforilációs (foszfát) potenciál. Az ATP hidrolízise és szerepe a
bioenergetikában.
10. A Gibbs-energiaváltozás egyik megnyilvánulása: a redoxpotenciál.
(redox reakciók biológiai rendszerekben, a Nernst-egyenlet, a középponti potenciál, a
redoxpotenciál-különbség és a Gibbs-energiaváltozás közti összefüggés, a középponti
potenciál pH-függése, a redoxpotencál biológiai rendszerekben való meghatározásának
főbb problémái, a mitokondriális légzési lánc)
11. A Gibbs-energiaváltozás megnyilvánulásai:
a) Ion elektrokémiai potenciál.
(ion elektrokémiai potenciál, proton elektrokémiai potenciál, az energia átmeneti
tárolása proton elektrokémiai potenciál formájában)

) Fényenergia.
12. A redox reakciók és az ATP szintézis kapcsolódása: a "kemiozmotikus" (Mitchell-) elmélet
és az azt alátámasztó kísérleti bizonyítékok.
Membránon keresztüli transzport
13. A biológiai membránokon keresztüli transzport:
a) Passzív diffúzió.
b) Közvetített diffúzió.
(telítési jelleg (Michaelis-Menten egyenlet), specificitás (modellek: ionofórok,
permeázok))
14. A biológiai membránokon keresztüli aktív transzport.
(transzport fehérjék, protonpumpák, protongradiens kialakulása lizoszómákban és mérése
radioaktív metil-aminnal)
15. Az ozmózis.
(van't Hoff törvénye, ozmométerek, az ozmózis fiziológiai jelentősége: izotóniás,
hipotóniás és hipertóniás oldatok, a Starling-effektus, dialízis, hemodialízis (művese))
Membránpotenciál
16. A membránpotenciálok eredete (diffúziós potenciál, elektrogén ionpumpák és felületi
potenciálok). A Donnan-egyensúly és a Donnan-potenciál.
17. A Goldman-potenciál.
(az ionáramok, a Nernst-Planck egyenlet és megoldása: a membrán áram-feszültség
jelleggörbéi, a Goldman-egyenlet)
18. A membránpotenciál kísérleti meghatározásának módszerei.
(mikroelektródák, feszültségrögzítés, egyetlen ioncsatorna áramának mérése: zaj-analízis
és a kapuáram közvetlen mérése, optikai módszerek)
19. A nyugalmi potenciál és az akciós potenciál: fenomenológiai leírás.
(a nyugalmi potenciál kialakulása, az akciós potenciál általános jellemzői, ionáramok az
akciós potenciál alatt (időfüggésük, áram-feszültség jelleggörbék, membránpermeabilitások),
az akciós potenciál terjedése (a lokális köráram -modell, mielin hüvelyű
idegrostok, a terjedés sebessége és frekvenciája))
20. A nyugalmi és az akciós potenciál: molekuláris leírás.
(a Na + /K + ionpumpa, feszültségérzékeny ioncsatornák, az ioncsatornák és ionpumpák
irányított működése az akciós potenciál alatt, idegmérgek)
Kvantumjelenségek, optikai spektroszkópia
21. A kvantumfizika kísérleti alapjai
(Kísérletek, amelyek megrengették a klasszikus fizikát.)
22. Részecskék potenciálvölgyben.
(Elektron hiperbolikus potenciálvölgyben: a hidrogénatom spektroszkópiai
tulajdonságai.)
23. Részecskék potenciálvölgyben.
(Elektron téglalap alakú potenciálvölgyben: konjugált kettőskötésű rendszerek optikai
tulajdonságai. Festékek, színek az élővilágban.)
24. Részecskék potenciálvölgyben.
(Atomok parabolikus potenciálvölgyben: a hagyományos és Fourier transzformált (FT)
infravörös (IR) spektroszkópia alapjai.)
25. Potenciálgáton való átjutás klasszikus és kvantumfizikai módjai
(A klasszikus kémiai reakciók sebességeinek hőmérséklet-függése (Arrhenius- és Eyring
típusú aktivációs analízis). Alagúteffektus (Gamow-formula) és biológiai alkalmazása).

26. Molekuláris (optikai) spektroszkópia alapjai, orvosi-biológiai alkalmazások.
Sugárzások
27. Lézerek. Orvosi-biológiai alkalmazások.
28. A röntgensugárzás általános tulajdonságai, elõállítása (röntgenforrások: röntgencső,
részecskegyorsítók), spektruma (fékezési és karakterisztikus sugárzás), közegbeli
gyengülése (a gyengülés alaptörvénye és mechanizmusai).
29. A röntgensugarak diagnosztikai (kontrasztanyagok, szummációs kép, geometriai és
számítógépes tomográfia) és terápiai alkalmazásai. Molekulaszerkezet meghatározása
röntgendiffrakcióval (Bragg-feltétel, fázisproblémák). Biológiai alkalmazások.
30. A radioaktív sugárzás keletkezése és tulajdonságai.
(a radioaktív bomlási törvény (bomlási állandó, aktivitás, fizikai, biológiai és effektív
felezési idõ), az atommag bomlásának módjai (a-bomlás, ß-bomlás, pozitron-bomlás,
héjelektron-befogás, γ-sugárzás)). A magsugárzások (neutronsugárzás, ionizáló
elektromágneses sugárzás, töltött részecske sugárzás (Bragg-csúcs!)) közegbeli
abszorpciója. Orvosi alkalmazások.
31. Dozimetria (dózisegységek), sugárhatás-sugárdózis összefüggések (találatelméletek), a
sugárhatást befolyásoló tényezők, sugárzási szintek, sugárvédelem.
32. Sugárzásmérők (gázionizációs, gerjesztési és fotográfiai módszerek). Radioaktív
nyomjelzők (térfogat-meghatározás hígításos módszerrel, anyagcserefolyamatok
vizsgálata, eloszlásvizsgálatok).
33. Ikonográfia (invazív és nem-invazív módszerek: ultrahang-diagnosztika (UH), számítógépes
tomográfia (CT), mágneses rezonancia képalkotás (MRI) és pozitron emissziós
tomográfia (PET) alapjai).
Az elõadásokon készített jegyzeteken kívül a felkészüléshez ajánlott segédletek:
Maróti Péter és Laczkó Gábor: Bevezetés a biofizikába, JATE Press 1993, 1995, 1998.
Maróti Péter és Tandori Júlia: Biofizikai példatár, JATE Press 1996.
P. Maróti, L. Berkes and F. Tölgyesi: Biophysics Problems. A Textbook with Answers.
Akadémiai Kiadó, Budapest, 1998.
Maróti Péter: Információ(elmélet) a biológiában. JATEPress, Szeged, 2003.