Transcript Curs 2 - medinfo.umft.ro

UNIVERSITATEA
POLITEHNICA
TIMIŞOARA
MASTER SIIS
Sisteme Informatice în Îngrijirea Sănătății
Curs 2 Bioinformatica
1
www.medinfo.umft.ro/dim/
bioinformatica.htm
Curs 2 Bioinformatica
2
BIOINFORMATICA
Prof Dr George I Mihalaş
UMF Victor Babeş
Curs 2 Bioinformatica
3
CURSUL 2
NOȚIUNI DE
BIOFIZICĂ
Curs 2 Bioinformatica
4
Obiectul și capitolele biofizicii
• Obiectul biofizicii
– Studiul proceselor fizice la nivelul materiei vii
• Capitole
–
–
–
–
Biofizica moleculară
Biofizica celulară
Biofizica sistemelor complexe
Interacțiunea factorilor fizici cu materia vie
Curs 2 Bioinformatica
5
Planul cursului
• Biofizica moleculară
– Structura atomului
• Structura norului electronic
– Structura moleculei
• Legături chimice, forţe intermoleculare
– Molecula de apă
• Structură, soluții, pH
• Biofizica celulară
– Termodinamica biologică
– Fenomene de transport
• Transportul transmembranar
– Bioelectrogeneza
• Potențialul celular
Curs 2 Bioinformatica
6
Structura atomului
• Nucleu [p,n] (nr de ordine Z, nr de masă A), sarcina +Ze [ ZX ]
• Electroni - 4 nr.cuantice
– principal - n = 1, 2, 3, … - nivelul energetic (straturi: K, L, M …)
• E ~ - 1 / n2 , r ~ n2
– orbital - l = 0, 1, …, n-1 - subnivelul [forma norului] (s, p, d, f)
• s - nor sferic, p - bilobar, de-alungul axelor (px, py, pz)
– magnetic - ml = -l, …, 0, … +l - orientarea norului în spaţiu
• noţiunea de orbital (3 nr cuantice)
– de spin - s = +1/2, -1/2 - defineşte electronul pe orbital
• Principiul lui Pauli
– într-un atom nu pot exista 2 electroni cu aceleaşi 4 numere cuantice”
– (pe un orbital încap maximum 2 electroni, cu spin opus)
Curs 2 Bioinformatica
7
Structura norului electronic
• Completarea electronilor
- începând cu nivelul de cea mai joasă energie E (n = 1)
• Ex: 1H - 1s1,
2He
- 1s2,
3Li
- 1s2 2s1,
4Be
- 1s2 2s2
- subnivelele nu au aceeaşi E, E creşte cu l, se începe cu l = 0 (s)
• Ex: 5B - 1s2 2s2 2px1
– regula lui Hund:
• orbitalii aceluiaşi subnivel au aceeaşi energie
• se completează întâi fiecare orbital cu 1 electron cu acelaşi spin
• Ex: 6C - 1s2 2s2 2px1 2py1,
7N
- 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz1 ,
- 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz1 ,
8O
- 1s2 2s2 2px2 2py1 2pz1 ,
9F
10Ne
- 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2,
11Na
- 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2 3s1,
- 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2 3s2,
13Al
- 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2 3s2 3px1, etc.
12Mg
– reprezentare schematică
Curs 2 Bioinformatica
8
Curs 2 Bioinformatica
9
Atomul de carbon
- hibridizări: sp3, sp2, sp
- structura tetraedrică
- legături σ (simplă) şi π (dublă) .
Curs 2 Bioinformatica
10
Structura moleculei. Legături chimice
Legătura covalentă (nepolară, polară)
• Punere în comun de electroni
• Atomi identici – nor simetric (ex H2, Cl2)
– Moleculă nepolară
• Atomi diferiţi – atomul mai electronegativ atrage norul şi devine
centru de sarcini negative (ex HCl, H2O)
– Moleculă polară - dipol-moment
Curs 2 Bioinformatica
11
Legături chimice
Legătura ionică
• Legătura ionică
– Electronii sunt complet deplasaţi la unul dintre atomi
– Atracţie electrostatică între doi ioni
Curs 2 Bioinformatica
12
Forţe intermoleculare
Legătura van der Waals, punţile de hidrogen
• Mult mai slabe decât legăturile chimice
• Legătura van der Waals
– Dipol – dipol
– Dipol – dipol-indus
• Punţi de hidrogen
– Între hidrogenul unei molecule polare )ca centru de sarcini pozitive şi
electronii neparticipanţi ai altei molecule (ex H2O, NH3, A-T/G-C etc)
Curs 2 Bioinformatica
13
Molecula de apă
Curs 2 Bioinformatica
14
Soluții
• Sisteme disperse
• Disociere
– Solvent + solut (subst.diz.)
– Clasificare după diam.(ø)
• Soluții moleculare (ø < 10 Å)
• Soluții coloidale
• Dispersii (ø > 1000 Å)
– Clasificare după disociere
• Electroliți (tari – tot., slabi – par.)
• Ne-electroliți
• Concentrații
(totală → , parțială ↔)
– Acizi: elib. H+
AH → A- + H+
– Baze: captează H+
(elib. OH- în sol.apoase)
BOH + H+ → B+ + H2O
H2O ↔ H+ + OH_____________________________________________________________
– Procentuală (g/100 ml soluție)
– Molară (nr.moli/1 litru soluție)
– Normală (nr.echiv./1 litru sol.)
Curs 2 Bioinformatica
BOH → B+ + OH-
15
pH
Acizi - substante care in solutie apoasa pun in libertate
protoni (H+).
Baze - substante care in solutie apoasa eliberează
ioni hidroxil (OH-).
Apa - caracter neutru.
Caracter amfoter - şi acid şi bază.
Curs 2 Bioinformatica
16
pH
Scara pH : 0 - 14:
0-7 = acid,
7 = neutru
7-14 = caracter bazic (alcalin)
Disocierea apei - produsul ionic al apei
Solutii tampon – mentin pH constant:
- acid tare + sarea sa
pH = pKa + log([f.deprot]/[f.protonata])
Curs 2 Bioinformatica
17
Termodinamică biologică
• Parametri de stare: intensivi și extensivi
– Funcții de stare (U, G, S), potențial chimic (μ)
• Stare de echilibru, procese termodinamice
– Parametri de proces (variații)
– Deosebirea gradient / variație
• Principiul al II-lea: ∆S ≥ 0 (variația entropiei)
– Procese reversibile / ireversibile, exemplu
– Relația cu “ordinea”, demonul lui Maxwell
– Particularitățile proceselor biologice:
• crește ordinea, entropia scade! (??)
Curs 2 Bioinformatica
18
Forțe termodinamice
• Forțe termodinamice generalizate, fluxuri td:
•
•
•
•
•
•
∆p (presiune) – flux de volum (curgere)
∆T (temperatură) – flux de căldură
∆E (potențial electric) – curent electric
∆C (concentrație) – difuziune
∆π (presiune osmotică) – osmoză
∆μ (potențial chimic) – reacție chimică
• Legea Nernst-Planck pentru fluxuri t.d.
Curs 2 Bioinformatica
19
Procese cuplate
• Cicluri naturale
• Laturile metabolismului:
– Catabolism (degradare, exoenergetic, ∆S > 0)
– Anabolism (sinteză, endoenergetic, ∆S < 0 )
• Termodinamica proceselor biologice
• Prigogine (Premiul Nobel 1971)
– Randamentul termic al proceselor biologice (55%)
– Substanțe macroergice (ATP, GTP)
– Fosforilarea oxidativă – mitocondrii
• Pompa de protoni (Mitchell, premiul Nobel 1974)
Curs 2 Bioinformatica
20
Fenomene de transport
• Curgerea, convecția
– Presiune hidrostatică și dinamică
– Flux de soluție (∆p); legea lui Bernoulli
• Difuziunea
– Substanța dizolvată (∆C)
– Legile lui Fick
• Osmoza
– Moleculele de solvent, printr-o membrană
semipermeabilă (∆π)
Curs 2 Bioinformatica
21
Transport transmembranar
• Transport pasiv
– Canale ionice (explicația PK » PNa)
• Transport activ
– Pompe ionice
• Electrogenice, non-electrogenice
– Suport energetic
• Pompa Na/K
• Structură, funcționare
Curs 2 Bioinformatica
22
PAUZA
Curs 2 Bioinformatica
23