UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIŞOARA MASTER SIIS Sisteme Informatice în Îngrijirea Sănătății Curs 2 Bioinformatica 1 1 1 1

www.medinfo.umft.ro/dim/bioinformatica.htm Curs 2 Bioinformatica

Prof Dr George I Mihalaş UMF Victor Babeş BIOINFORMATICA Prof Dr George I Mihalaş UMF Victor Babeş Curs 2 Bioinformatica 1 1 1 1

CURSUL 2 NOȚIUNI DE BIOFIZICĂ Curs 2 Bioinformatica 1 1 1 1

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

Planul cursului Biofizica moleculară Biofizica celulară 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

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

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 , 8O - 1s2 2s2 2px2 2py1 2pz1 , 9F - 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz1 , 10Ne - 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2, 11Na - 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2 3s1, 12Mg - 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2 3s2, 13Al - 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2 3s2 3px1, etc. reprezentare schematică Curs 2 Bioinformatica

Curs 2 Bioinformatica

Atomul de carbon - hibridizări: sp3, sp2, sp - structura tetraedrică - legături σ (simplă) şi π (dublă) . Curs 2 Bioinformatica

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

Legături chimice Legătura ionică Electronii sunt complet deplasaţi la unul dintre atomi Atracţie electrostatică între doi ioni Curs 2 Bioinformatica

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

Molecula de apă Curs 2 Bioinformatica

Soluții Sisteme disperse Concentrații 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 Procentuală (g/100 ml soluție) Molară (nr.moli/1 litru soluție) Normală (nr.echiv./1 litru sol.) Disociere (totală → , parțială ↔) Acizi: elib. H+ AH → A- + H+ Baze: captează H+ (elib. OH- în sol.apoase) BOH + H+ → B+ + H2O H2O ↔ H+ + OH- _____________________________________________________________ BOH → B+ + OH- Curs 2 Bioinformatica

pH Acizi - substante care in solutie apoasa pun in libertate 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

pH Scara pH : 0 - 14:. 0-7 = acid,. 7 = neutru 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

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

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

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

Fenomene de transport Curgerea, convecția Difuziunea Osmoza 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

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

PAUZA Curs 2 Bioinformatica