Bevezetés a biofizikába

Tartalom

ELŐSZÓ xi
TRANSZPORT, BIOENERGETIKA, BIOMEMBRÁNOK
1. TRANSZPORTFOLYAMATOK 1
Áttekintés 1
A transzportfolyamatok általános jellemzése 2
1.1 FOLYADÉKOK ÉS GÁZOK ÁRAMLÁSA 4
1.1.1 Összenyomhatatlan folyadékok és gázok 4
A kontinuitási egyenlet 4
Az áramerősség egyszerű meghatározása 5
Fick nulladik törvénye 6
1.1.2 Ideális folyadékok 6
Bemoulli törvénye 7
1.1.3 Viszkózus folyadékok; a Newton-féle súrlódási törvény 9
A Hagen-Poiseuille-törvény 11
Modem viszkoziméterek és orvos-biológiai alkalmazásaik 13
A Silanos-viszkoziméter 14
1.1.4 Lamináris és turbulens áramlás 15
1.1.5 Lüktető áramlás rugalmas falú csövekben 16
1.1.6 Nem-newtoni folyadékok 17
A vér néhány áramlástani tulajdonsága 18
1.2 A DIFFÚZIÓ 20
1.2.1 Fick első törvénye 20
1.2.2 Az általánosított kontinuitási egyenlet 22
1.2.3 Fick második törvénye 23
1.2.4 Egydimenziós szabad diffúzió 24
1.2.5 A szövetek oxigénellátása 26
Henry törvénye 26
A vér oxigénfelvétele és a Bohr-effektus 27
Az agykéreg oxigénellátásának modellje 28
1.3 ENERGIAÁRAMLÁS (HŐÁRAMLÁS) 31
1.3.1 Hővezetés 31
1.3.2 Hőkonvekció 32
1.3.3 Hősugárzás 34
A Newton-féle lehűlési törvény 35
1.3.4 Párolgás 36
1.3.5 Az ember és környezete közti hőcsere 36
1.3.6 A hőközlés/hőelvonás orvosi alkalmazásai 38
2. EGYENSÚLYI TERMODINAMIKA 39
2.1 TERMODINAMIKAI ALAPFOGALMAK, ALAPMENNYISÉGEK 40
A rendszer 40
Ideális gázok (állapotegyenlet és speciális folyamatok) 41
Reális (van der Waals) gázok és gőzök 43
Reverzibilitás, irreverzibilitás 44
Hőmennyiség (Q) 44
Munka 44
Belső energia (U) 45
Entalpia (H) 47
2 2 A TERMODINAMIKA ELSŐ FŐTÉTELE 47
2.3 A TERMODINAMIKA MÁSODIK FŐTÉTELE 50
2.3.1 Termodinamikai valószínűség, Boltzmann-eloszlás 50
2.3.2 Rendezetlenség. Az entrópia (S) 52
Az entrópia statisztikai értelmezése 52
Az entrópia fenomaiologikus értelmezése 53
Speciális folyamatok entrópiaváltozása 54
Az entrópiatétel (a termodinamika második főtétele) 56
2.3.3 A Gibbs szabadenergia (G) 56
A Gibbs-Helmholtz egyenlet 57
Hidrofób kölcsönhatás 59
3. KVANTITATÍV BIOENERGETIKA 61
3.1 A BIOENERGETIKA TÁRGYKÖRE 61
3.2 A SZABADENERGIA-VÁLTOZÁS MEGJELENÉSI FORMÁI 62
3.2.1 Foszforilációs (foszfát-) potenciál 63
Oldatok Gibbs szabadenergiája 63
Az ATP és az ADP előfordulása és tulajdonságai 67
Az ATP hidrolízise 67
Az ATP szerepe a bioenergetikában 69
3.2.2 A redoxpotenciál 69
Redoxreakciók élő rendszerekben 69
A középponti potenciál pH-függése 72
A redoxpotenciál meghatározásának főbb problémái biológiai redox rendszerekben 74
A mitokondriális légzési lánc 75
3.2.3 Az ion elektrokémiai potenciálja 76
Proton elektrokémiai potenciál 77
Az energia átmeneti tárolása a proton elektrokémiai potenciálja formájában 78
3.2.4 A fényenergia 79
3.3 A REDOX REAKCIÓK ÉS AZ ATP SZINTÉZIS KAPCSOLATA: A KEMIOZMOTIKUS (MITCHELL-) ELMÉLET 80
4. A MEMBRÁNON KERESZTÜLI TRANSZPORT ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE 83
4.1 A PASSZÍV DIFFÚZIÓ 84
4.2 A KÖZVETÍTETT DIFFÚZIÓ 84
4.2.1 A közvetített diffúzió kinetikája, a Michaelis-Menten egyenlet 84
4.2.2 Lehetséges transzportmechanizmusok (modellek) 86
(a) Ionofórok 87
(b) Permeázok (kétállapotú kapuzott pórusok) 88
4.3 AKTÍV TRANSZPORT 89
5. SEMLEGES RÉSZECSKÉK MEMBRÁNEGYENSÚLYA, OZMÓZIS 93
5.1 VANTHOFF TÖRVÉNYE 93
Az ozmózisnyomás mérése 96
5.2 AZ OZMOTIKUS NYOMÁS ÉLETTANI JELENTŐSÉGE 97
Oldatok 97
Izotóniás oldatok 97
Hipotóniás oldatok 97
Hipertóniás oldatok 97
A Starling-effektus 98
Dialízis és hemodialízis 99
6. A MEMBRÁNPOTENCIÁL 101
6.1. A MEMBRÁNPOTENCIÁL EREDETE 101
6.1.1. Diffúziós potenciálok 102
6.1.2. Elektrogén ionpumpák 102
6.1.3. Felületi potenciálok 104
6.2 A DIFFÚZIÓS POTENCIÁL 104
6.2.1 A Donnan-potenciál 104
6.2.2 A Goldman-potenciál 106
Az ionáram sűrűsége: a Nemst-Planck egyenlet 106
A Nemst-Planck-egyenlet megoldása: a membrán áram-feszültség karakterisztikája 107
6.3 KÍSÉRLETI MÓDSZEREK A MEMBRÁNPOTENCIÁL MÉRÉSÉRE 110
6.3.1 Elektromos mérések (mikroelektródák) 110
Speciális eljárások 110
Feszültségrögzítés (voltage clamp) 110
Egyetlen ioncsatornára vonatkozó mérések 112
6.3.2 Optikai mérések 113
6.4 A NYUGALMI POTENCIÁL 114
6.5 AZ AKCIÓS POTENCIÁL 115
6.5.1 Az akciós potenciál általános jellemzői 115
Ingerküszöb 116
"Minden vagy semmi" válasz 116
Ónregenerálódás 116
Holtidő (refrakter periódus) 116
6 5.2 Az akciós potenciál jelenségszintű (fenomenologikus) leírása 117
6.5.2.1 Ionáramok az akciós potenciál alatt 117
Az ionáramok 117
Áram-feszültség jelleggörbék 118
Membránpermeabilitások 119
6.5.2.2 Az akciós potenciál terjedése 119
A lokális köráram-modell 119
Mielin hüvelyű idegrostok 120
A terjedés sebessége 121
Gerjeszthetőségi gyakoriság (frekvencia) 123
6.5.3 Molekuláris leírás 124
A Na+/K+ ionpumpa 124
Feszültségérzékeny ioncsatornák 126
Az akciós potenciál kiváltásának molekuláris folyamatai 128
6.5.4 Idegmérgek 129
KVANTUMJELENSÉGEK, SUGÁRZÁSOK
A KVANTUMFIZIKA KÍSÉRLETI ALAPJAI 131
A fekete test hőmérsékleti sugárzása 132
Kirchhoff törvénye 132
A Stefan-Boltzmaim törvény 133
A Wien-féle eltolódási törvény 133
A Planck-féle sugárzási törvény 134
A fényelektromos hatás (Hallwachs-effektus) 135
A Franck-Hertz kísérlet (1913) 136
A hidrogénatom színképe 137
Részecske-hullám dualizmus (de Broglie, 1925) 138
A Heisenberg-féle bizonytalansági összefüggés (1927) 140
7. OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA 143
7.1 AZ OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA KVANTUMFIZIKAI ALAPJAI 143
7.1.1 Elektronok hiperbolikus potenciálvölgyben 144
7.1.2 n-elektronok konjugált kettőskötések rendszerében - téglalap alakú potenciálvölgy 147
7.1.3 Részecske parabolikus potenciálvölgyben - harmonikus oszcillátor 150
7.1.4 Az alagúteffektus 154
7.1.5 A molekulák energiaszint-rendszere. A lumineszcencia jellemzők 155
7.2 GYAKORLATI ATOM- ÉS MOLEKULASPEKTROSZKÓPIA, ORVOSI-BIOLÓGIAI ALKALMAZÁSOK 160
7.2.1 Atomabszorpciós spektrofotometria 160
7.2.2 Atomfluoreszcaiciás spektrofotometria 162
7.2.3 Moldculáris abszorpciós spektroszkópia 163
Laboratóriumi diagnosztikai alkalmazások 165
Fotodinamikus terápia /FDT/ 166
7.2.4 Molekuláris fluoreszcencia spektroszkópia 167
Rutin klinikai diagnosztika 168
Az orvosi/biológiai kutatásban használt fluoreszcenciás technikák 170
Immunofluoreszcencia 170
Véredények fluoreszcenciás vizsgálata 171
Fluoreszcencia-aktivált sejtanalízis és -szeparálás 172
A fehérjék fluoreszcenciás vizsgálata 173
A nukleinsavak fluoreszcenciás vizsgálata 174
FRAP-módszer 175
8. LÉZEREK 177
8.1 A LÉZERSUGÁRZÁS TULAJDONSÁGAI 177
8.2 A LÉZERMŰKÖDÉS FIZIKAI ALAPJAI 179
8.2.1 Az indukált emisszió és az Einstein-koefficiensek 179
8.2.2. Populáció inverzió és optikai erősítés 180
8.2.3 Lézeroszcillátor, a lézer működése 182
8.3 LÉZERTÍPUSOK 183
8.3.1 Szilárdtestlézerek 184
8.3.2 Gázlézerek 184
8.3.3 Festéklézerek 185
8.4 LÉZEREK AZ ORVOSI GYAKORLATBAN 186
8.4.1 Szemészet 186
8.4.2 Általános sebészet 188
8.4.3 Nőgyógyászat 188
8.4.4 Gasztroenterológia 189
8.4.5 Urológia 189
8.4.6 Fogászat 189
9. RÖNTGENSUGÁRZÁS 191
9.1 A RÖNTGENSUGÁRZÁS ÁLTALÁNOS TULAJDONSÁGAI 191
9.2 A RÖNTGENSUGÁRZÁS ELŐÁLLÍTÁSA 192
9.2.1 Röntgencső 192
9.2.2 Részecskegyorsítók 193
9.3 A RÖNTGENSUGÁRZÁS SPEKTRUMA 194
A fékezési sugárzás 195
A karakterisztikus sugárzás 196
9.4 A RÖNTGENSUGARAK KÖZEGBELI GYENGÜLÉSE 197
A gyengülés alaptörvénye 198
A gyengülés mechanizmusai 198
Gyengülési színképek 199
9.5 A RÖNTGENSUGÁRZÁS ORVOSI ALKALMAZÁSAI 201
9.5.1 Diagnosztika 201
A tomográfia elemei 202
9 5 2 Terápia 205
9 6 MOLEKULASZERKEZET MEGHATÁROZÁSA RÖNTGENDIFFRAKCIÓVAL 206
9.6.1 A röntgendiffrakció 206
9.6.2 A Bragg-feltétel 207
9.6.3 Molekulák a rácspontokban, fázisproblémák 208
10. MAGSUGÁRZÁSOK 209
10.1 RADIOAKTÍV SUGÁRZÁS KELETKEZÉSE ÉS TULAJDONSÁGAI 209
10.1.1 A radioaktív bomlási törvény 210
10.1.2 Az atommag bomlásának módjai 213
Az a-bomlás, az a-sugárzás 213
A béta-bomlás, a béta-sugárzás 214
A pozitron-bomlás 217
A héjelektron-befogás 217
A gamma-sugárzás 218
10.1.3 A magsugárzások közegbeli abszorpciója 218
Neutronsugárzás 218
Ionizáló elektromágneses sugárzás 220
Töltött részecske-sugárzás 222
10.2 DOZIMETRIA 225
10.2.1 Dózisegységek 225
Besugárzási dózis 225
Elnyelt (abszorbeált) dózis 226
Biológiai dózis (ekvivalens dózis) 227
10.2.2 Az ionizáló sugárzások és az ember 228
A sugárzás hatásai 228
Sugárhatás-sugárdózis összefüggések 229
Klasszikus (fizikai) találatelméletek 229
Egytalálatos folyamatok 230
Többtalálatos folyamatok 230
A találatelmélet általánosítása 232
A sugárhatást befolyásoló tényezők 234
Sugárzási szintek 235
Sugárvédelem 237
10.3 SUGÁRZÁSMÉRŐK 238
10.3.1 Gázionizációs módszer 238
Proporcionális számlálók 240
Geiger-Müller számláló 240
10.3.2 Gerjesztési módszer (szilárdtest detektorok) 241
Félvezető detektor 242
Termolumineszcenciás (TL) sugárzásjelző 242
Szcincillációs számláló 243
10.3.3 Fotográfiai módszer 244
10.4 RADIOAKTÍV NYOMJELZŐK 245
10.4.1 Térfogat meghatározása hígításos módszerrel 246
Vérplazma-térfogat meghatározása 246
A test teljes víztérfogatának meghatározása 247
Radiokardiográfia 247
10.4.2 Anyagcsere folyamatok 248
A pajzsmirigy jódfelvevő képessége 248
Vörösvérsejt-lebontás 249
10.4.3 Eloszlásvizsgálatok 249
11. A DIELEKTROMOS ÉS MÁGNESES SPEKTROSZKÓPIA ALAPJAI 251
A biofizika spektroszkópiai módszerei - áttekintés 251
11.1 DIELEKTROMOS SPEKTROSZKÓPIA 252
11.1.1 Dielektromos elméletek 252
A dielektromos paraméterek frekvenciafüggése 253
A dielektromos tulajdonságok és a molekula szerkezete közti kapcsolat 254
11.1.2 Mérőmódszerek 255
11.1.3 Biofizikai vonatkozású alkalmazások 257
11.2 MÁGNESES REZONANCIA: ESR és NMR 259
11.2.1 Mágneses momentum kölcsönhatása külső mágneses térrel 260
A mágneses rezonancia vektor-modellje 261
Bloch-egyenletek 262
A Bloch-egyenletek megoldása 263
Relaxáció 265
Telítés 265
A rezonanciajel alakja 266
11.2.2 Biofizikai alkalmazások 267
ESR spektroszkópia 267
NMR spektroszkópia 269

Témakörök