Biofizika 1.

Adatok

A Tantárgybejelentőben megadott hivatalos adatok az alábbi tanévre: 2023-2024

Tematika

A tantárgy célja bemutatni a biológiai rendszerek felépítésének és működésének fizikai alapjait. Az előadások témakörei atom és magfizika, termodinamika, transzportfolyamatok, molekuláris és szupramolekuláris rendszerek, bioelektromos jelenségek és biológiai mozgás.

Előadások

• 1. Bevezető - Dr. Lukács András Szilárd
• 2. Az atom szerkezete - Dr. Lukács András Szilárd
• 3. A fény és az elektron kettős természete. Elektromágneses hullámok - Dr. Lukács András Szilárd
• 4. A kvantummechanikai atommodell. Orbitálok, molekuláris orbitálok - Dr. Lukács András Szilárd
• 5. A lézer - Dr. Lukács András Szilárd
• 6. Abszorpciós spektroszkópia - Dr. Lukács András Szilárd
• 7. Fluoreszcencia spektroszkópia - Dr. Lukács András Szilárd
• 8. Molekulák fotofizikája. A fluoreszcencia orvosbiológiai alkalmazásai - Dr. Lukács András Szilárd
• 9. Infravörös és Raman spektroszkópia - Dr. Lukács András Szilárd
• 10. Áramlási citometria - Dr. Grama László
• 11. Röntgensugárzás - Dr. Grama László
• 12. Röntgendiffrakció - Dr. Grama László
• 13. Röntgendiagnosztika, CT - Dr. Grama László
• 14. Gáztörvények. A víz fázisállapotai - Dr. Bugyi Beáta
• 15. A termodinamika I. főtétele. Hőkapacitás, entalpia - Dr. Lőrinczy Dénes
• 16. A termodinamika II. főtétele. Entrópia - Dr. Lőrinczy Dénes
• 17. Fehérjeszerkezet, fehérjetekeredés, enzimek - Dr. Bódis Emőke
• 18. Diffúzió - Dr. Bugyi Beáta
• 19. Ozmózis - Dr. Bugyi Beáta
• 20. Folyadékáramlás - Dr. Bugyi Beáta
• 21. Vérkeringés. A szív munkája - Dr. Bódis Emőke
• 22. Szedimentáció, elektroforézis - Dr. Talián Csaba Gábor
• 23. Membránszerkezet. Nyugalmi membránpotenciál - Dr. Talián Csaba Gábor
• 24. Érzékszervi receptorok. Akciós potenciál - Dr. Talián Csaba Gábor
• 25. A molekuláris mozgás mechanizmusai: motorfehérjék, citoszkeletális polimerek - Dr. Bugyi Beáta
• 26. Az izomműködés molekuláris mechanizmusai - Dr. Bugyi Beáta
• 27. Az izom mechanikai tulajdonságai - Dr. Bugyi Beáta
• 28. A szövetek mechanikai tulajdonságai - Dr. Bugyi Beáta

Gyakorlatok

• 1. Bevezetés. Munka- és balesetvédelmi oktatás
• 2. Bevezetés. Munka- és balesetvédelmi oktatás
• 3. Egyenáramú mérések
• 4. Egyenáramú mérések
• 5. Váltóáramú mérések
• 6. Váltóáramú mérések
• 7. Elektrokardiográfia
• 8. Elektrokardiográfia
• 9. Hőmérsékletmérés
• 10. Hőmérsékletmérés
• 11. Atomok színképe
• 12. Atomok színképe
• 13. Makromolekulák abszorpciós színképe
• 14. Makromolekulák abszorpciós színképe
• 15. Makromolekulák emissziós színképe
• 16. Makromolekulák emissziós színképe
• 17. Centrifugálás
• 18. Centrifugálás
• 19. Folyadékáramlás és vérnyomásmérés
• 20. Folyadékáramlás és vérnyomásmérés
• 21. Folyadékok viszkozitása és felületi feszültség
• 22. Folyadékok viszkozitása és felületi feszültség
• 23. Pótmérés, szeminárium
• 24. Pótmérés, szeminárium
• 25. Gyakorlatos ZH
• 26. Gyakorlatos ZH
• 27. Pótmérés, szeminárium
• 28. Pótmérés, szeminárium

Szemináriumok

A tananyag elsajátításához szükséges segédanyagok

Kötelező irodalom

Saját oktatási anyag

Elérhetőek a tantárgy PotePedia felületén.

Jegyzet

Biofizikai gyakorlatok, PTE ÁOK, Pécs

Ajánlott irodalom

Damjanovich Sándor, Fidy Judit, Szöllősi János (szerk.): Orvosi biofizika, Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2006

A félév elfogadásának feltételei

Legfeljebb 15 % hiányzás megengedett

Félévközi ellenőrzések

Egy gyakorlati ZH, amely mentességet adhat a vizsgán a gyakorlati vizsgarész alól.

Távolmaradás pótlásának lehetőségei

Az elmulasztott gyakorlatok pótlására pótgyakorlatokat biztosítunk. A hallgatók csak saját csoportjuk gyakorlatán pótolhatnak, egy pótgyakorlat során csak egy gyakorlat pótolható.

Vizsgakérdések

1. Az atom szerkezete
A Thomson atommodell. A Rutherford-kísérlet, az atom bolygómodellje. Bohr posztulátumai és atommodellje. A hidrogénatom energiaszintjei a Bohr-modell alapján. Az atomok vonalas színképének magyarázata. A Frank-Hertz kísérlet leírása és magyarázata

2. A fény és az elektron kettős természete. Elektromágneses hullámok
A fény kettős természete. A fény hullámtermészetét bizonyító jelenségek. Hullámok, hullámok jellemzői, a Huygens-Fresnel-elv. Diffrakció, interferencia, kétrés-kísérlet. A fény, mint transzverzális hullám, hullámpolarizáció. Elektromágneses hullámok, az elektromágneses spektrum. A fény részecske természetét igazoló kísérletek felsorolása. De Broglie anyaghullám hipotézise és annak kísérleti igazolása

3. A kvantummechanikai atommodell. Orbitálok, molekuláris orbitálok
Az elektron hullámtulajdonságai: a hullámfüggvény és az elektron állapotai az atomban. Atompályák fogalma, típusai. A kvantumszámok és fizikai jelentésük (pályaperdület és sajátperdület). Pauli-elv, Hund-szabály. A Stern-Gerlach kísérlet leírása és értelmezése. Az Einstein-de Haas kísérlet. Molekuláris orbitálok: szigma kötés, pi kötés. Molekulák energiaszintjei

4. A lézer
Spontán emisszió és indukált emisszió, populációinverzió. Energiaszintek értelmezése, metastabil állapot, élettartam. Lézeroszcillátor, rezonanciafeltétel. A lézerfény fizikai tulajdonságai. Egy lézertípus bemutatása. Folytonos és impulzuslézerek összehasonlítása. Lézerek orvosi és egyéb alkalmazásai

5. Abszorpciós spektroszkópia
Atomok és molekulák energiaszintjei, a Jablonski diagramm. Főbb spektroszkópiai módszerek, csoportosításuk a kölcsönhatás módja és a fotonenergia szerint. Fényabszorpció általános esetben, a Lambert-Beer törvény. Transzmittancia, abszorbancia, abszorpciós koefficiens. Abszorpciós spektrum. Abszorpciós fotométerek felépítése, működése és alkalmazásai

6. Fluoreszcencia spektroszkópia
Atomok és molekulák energiaátmenetei, szemléltetésük a Jablonski diagrammal. Szingulett és triplett állapotok. A lumineszcencia fogalma és típusai (fluoreszcencia, foszforeszcencia). A fluoreszcencia folyamata, a Kasha-szabály. A fluoriméter felépítése és működése. Gerjesztési és emissziós spektrum fogalma, felvételének módja. A Stokes-eltolódás. Fluoreszcencia kvantumhatásfok és élettartam

7. Molekulák fotofizikája. A fluoreszcencia orvosbiológiai alkalmazásai
Biolumineszcencia. Zöld fluoreszcens fehérje (GFP). Intrinsic és extrinsic fluorofórok, fluoreszcens jelölők. Direkt és indirekt fluoreszcens immunjelölés. Fluoreszcens szenzorok (ionok, pH, membránpotenciál). A Förster-féle rezonancia energiatranszfer (FRET) jelensége, feltételei és gyakorlati alkalmazása

8. Infravörös (IR) és Raman spektroszkópia
Molekulák energiaszint-rendszere. Molekulák rezgőmozgásai, sajátfrekvencia. Dipólmomentum lineáris és nem lineáris molekulák esetén (pl. HCl, CO2), A víz rezgési módusai. A rezonancia feltétele, abszorpció, IR spektrum és értelmezése. Az IR-spektroszkópia alkalmazásai. Rugalmas és rugalmatlan fényszórás. A Raman-spektrum felvétele és értelmezése. Rayleigh-csúcs, Stokes és anti-Stokes eltolódás. A Raman spektroszkópia alkalmazásai. Az IR- és a Raman-spektroszkópia előnyei és hátrányai

9. Áramlási citometria
Az áramlási citométer felépítése és működése (áramlási rendszer, hidrodinamikai fókuszálás, optikai rendszer). Detektálható paraméterek és értelmezésük: fényszórás, fluoreszcencia emisszió. Az adatok megjelenítési módjai: lista mód, egy-, és többparaméteres ábrázolás, valamint értelmezésük. A sejtszeparálás alapelvei

10. Röntgensugárzás
A röntgensugárzás fizikai tulajdonságai, elhelyezkedése az elektromágneses spektrumban (frekvencia, hullámhossz, határoló sugárzás típusok). A röntgencső felépítése, működési elve. A karakterisztikus és a fékezési röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusa, spektrumuk összehasonlítása. A határhullámhossz magyarázata

11. Röntgendiffrakció
A diffrakció feltétele, röntgendiffrakcióval vizsgálható objektumok. Az interferencia-maximumok kialakulásának feltétele. Laue- és Bragg-egyenletek (útkülönbség grafikai értelmezése és számítása). A röntgendiffrakciós vizsgálat menete. Egykristály- és pormódszer. Biológiai alkalmazások

12. Röntgendiagnosztika, CT
A röntgensugárzás természete, energia- és hullámhossz-tartománya. A röntgensugárzás elnyelésének matematikai leírása (egyenlet, grafikon, gyengítési együttható, felező rétegvastagság). Az elnyelésért felelős kölcsönhatások. Röntgensugárzás detektálása. Az anyagok elnyelést befolyásoló tulajdonságai. Kontrasztanyagok használatának alapelve, példák. Digitális szubsztrakciós angiográfia. DEXA. A computer tomográf felépítése és működése, a képalkotás és a számítás alapelve. Voxelek, CT szám, Hounsfield egység. Ablakozás

13. Gáztörvények. A víz fázisállapotai
A termodinamikai rendszer fogalma, típusai, példák. Extenzív és intenzív mennyiségek. Az ideális gáz, mint termodinamikai modellrendszer tulajdonságai. Gáztörvények magyarázata (Gay-Lussac I-II, Boyle-Mariotte), grafikus szemléltetésük. Egyesített gáztörvény és az ideális gáz állapotegyenlete. Fázisdiagramok karakterisztikus paraméterei, a víz fázisdiagramja. Folyadékok és szilárd anyagok hőtágulása

14. A termodinamika I. főtétele. Hőkapacitás, entalpia
A termodinamika nulladik főtétele. Belső energia, az ekvipartíció tétele, hő. Térfogati munka képlete és grafikus értelmezése. A termodinamika első főtétele, elsőfajú perpetuum mobile példája. Entalpia

15. A termodinamika II. főtétele. Entrópia
Az entrópia klasszikus és statisztikus értelmezése (mikro- és makroállapotok fogalma, termodinamikai valószínűség, Boltzmann-képlet). A termodinamika második főtételének különböző megfogalmazásai (entrópia változás, hőáramlás iránya, másodfajú perpetuum mobile). A szabadentalpia fogalma, változása, folyamatok iránya

16. Fehérjeszerkezet, fehérjetekeredés, enzimek
A fehérjeszerkezet szintjei, stabilitásukat biztosító kötéstípusok. Anfinsen kísérlet és értelmezése. A Levinthal paradoxon. A fehérjetekeredés tölcsér elmélete és termodinamikai háttere (szabadentalpia változás). A hibás tekeredés patológiai következményei példákkal. Enzimek által katalizált reakciók szabadentalpia változása, enzimek hatása a reakciók sebességére, grafikus szemléltetés

17. Diffúzió
A hőmozgás fogalma, a diffúzió jelensége, oka, eredménye. A diffúzió kvantitatív leírása, Fick I. törvénye: részecskeáram-erősség, anyagáram-sűrűség, koncentrációgradiens és összefüggésük. Diffúziós együttható, Einstein-Stokes-képlet. Az átlagos úthossz függése az időtől. A sejtmembránon keresztül lezajló transzportfolyamatok csoportosítása a szállítási mechanizmus és az energiaigény szerint

18. Ozmózis
A szemipermeábilis membrán fogalma. Az ozmózis jelensége, oka és eredménye. Ozmózisnyomás és értelmezése a hidrosztatikai nyomás felhasználásával. Van’t Hoff törvénye. Oldatok osztályozása ozmózisnyomásuk alapján. Példák az ozmózis biológiai jelentőségére: vörösvértestek különböző ozmózisnyomású környezetben, ödéma, duzzanatok kezelése, hashajtó sók, hemodialízis

19. Folyadékáramlás
Pascal törvénye (élettani példák). Lamináris és turbulens áramlás, stacionárius áramlás. Nyírófeszültség, sebességgradiens, a viszkozitás definíciója. Ideális és reális folyadékok (vér és ízületi folyadék). Reynolds szám. Térfogati áramerősség. Kontinuitási egyenlet. Sztatikus, hidrosztatikai és dinamikus nyomás. Bernoulli törvény. Aneurizma kialakulásának magyarázata. Venturi hatás (Venturi maszk). Hagen-Poiseuille törvény (vazodilatáció)

20. Vérkeringés. A szív munkája
A keringési rendszer felépítése. Vérnyomás. A nyomás, keresztmetszet és az áramlási sebesség változása a nagy vérkör mentén. A véráramlást befolyásoló tényezők. Vérviszkozitás. A keringési rendszer ellenállása. A szív felépítése és működése. A szívciklus nyomás és térfogatváltozásai, indikátordiagram. A szív munkája. Frank-Starling törvény

21. Szedimentáció, elektroforézis
Az ülepedő részecskékre ható erők a szedimentáció során. A szedimentációs módszerek típusai. Sűrűség gradiens centrifugálás. Centrifuga típusok, preparatív és analitikai elválasztás. Szedimentációs állandó. Az elektroforetikus módszerek alapjai. Elektroforetikus mobilitás. Kétdimenziós elektroforézis, izoelektromos fókuszálás

22. Membránszerkezet. Nyugalmi membránpotenciál
A sejtmembrán szerkezete, felépülése (hidrofób-hidrofil kölcsönhatás), membránmodellek. A membrán dinamikája: laterális és transzverzális mozgások. Az elektromos potenciál fogalma. Elektrokémiai potenciál, ioncsatornák, ionpumpák. A nyugalmi membránpotenciál felépülése, fenntartása, mérése. Bernstein kálium hipotézise. Nernst-egyenlet. Donnan-potenciál. Goldman-Hodgkin-Katz-egyenlet

23. Érzékszervi receptorok. Akciós potenciál
Ioncsatornák típusai, K- és Na-csatornák működése. Érzékszervi receptorok típusai, receptorpotenciál, modalitás, adekvát inger. Az akciós potenciál kialakulásának feltételei. Az akciós potenciál fázisai és az őket kísérő ionáram-változások. Refrakter-fázisok

24. A molekuláris mozgás mechanizmusai: motorfehérjék és citoszkeletális polimerek
Citoszkeletális polimerek és típusaik. A polimerizáció folyamata. Szerkezeti polaritás és következményei. Motorfehérjék és típusaik, szerkezeti és működésbeli sajátságaik. Munkacsapás, munkatávolság, csapássebesség, ciklusidő, munkaciklus arány, processzivitás. Kereszthíd, a vázizom miozin II működési ciklusa (mechanikai és biokémiai leírás)

25. Az izomműködés molekuláris mechanizmusai
A harántcsíkolt izom szerkezeti sajátságai, szerveződési szintjei. Szarkomer, filamentális rendszerek és fehérjék. Mitől függ a szarkomer által kifejtett erő? Csúszó-filamentum modell. Térbeli kizárásos modell és az abban meghatározó fehérjék (tropomiozin, troponin rendszer)

26. Az izom mechanikai tulajdonságai
A harántcsíkolt izom stimulus-kontrakciós válasza: rángás, összegződés, tetanusz. A szarkomer által kifejtett erő függése a szarkomerhossztól (orvosbiológiai jelentősége a szívizom működésében). Az erő és a teljesítmény függése az összehúzódás sebességétől. A szilárd testek egyensúlya, forgatónyomaték. Az emelő, mint egyszerű gép egyensúlyának feltételei. A mechanikailag kedvező és kedvezőtlen emelők jellemzői. Emelők az emberi testben, példák 1., 2., és 3. típusú emelőkre

27. A szövetek mechanikai tulajdonságai
Rugóállandó, Hooke törvénye. Az ideális rugalmas test egyszerű fizikai modellje. Mechanikai feszültség, deformáció, rugalmassági modulus, elasztikus energia. A mechanikai deformációk típusai. Az ideális és reális rugalmas testek feszültség-deformáció karakterisztikája, rugalmas és képlékeny tartomány. Maximális mechanikai feszültség, maximális relatív deformáció. A viszkoelasztikus anyagok jellemzői: feszültség relaxáció, kúszás, hiszterézis. A csont biomechanikai tulajdonságai. Az erek biomechanikai tulajdonságai: kompliancia, disztenzibilitás

Vizsgáztatók

• Dr. Bódis Emőke
• Dr. Bugyi Beáta
• Dr. Grama László
• Dr. Hild Gábor
• Dr. Huber Tamás
• Dr. Huberné Dr. Barkó Szilvia
• Dr. Lukács András Szilárd
• Dr. Nyitrai Miklós
• Dr. Szabó-Meleg Edina
• Dr. Talián Csaba Gábor

Gyakorlatok, szemináriumok oktatói

• Czimbalek Lívia Mária
• Dr. Bódis Emőke
• Dr. Bugyi Beáta
• Dr. Bukovics Péter
• Dr. Gaszler Péter
• Dr. Grama László
• Dr. Huber Tamás
• Dr. Huberné Dr. Barkó Szilvia
• Dr. Kengyel András Miklós
• Dr. Lukács András Szilárd
• Dr. Szatmári Dávid Zoltán
• Dr. Takács-Kollár Veronika Tünde
• Dr. Talián Csaba Gábor
• Halász Henriett
• Leipoldné Dr. Vig Andrea Teréz
• Pécsi Ildikó
• Szajkóné Longauer Beáta
• Tempfliné Pirisi Katalin Erzsébet
• Ujfalusi-Pozsonyi Kinga