universitatea politehnica timiŞoara

UNIVERSITATEAPOLITEHNICA TIMIŞOARA

UNIVERSITATEAPOLITEHNICA TIMIŞOARA

MASTER SIIS MASTER SIIS

Sisteme Informatice în Îngrijirea Sănătății Sisteme Informatice în Îngrijirea Sănătății

1Curs 2 Bioinformatica

www.medinfo.umft.ro/dim/bioinformatica.htm


BIOINFORMATICABIOINFORMATICA

Prof Dr George I MihalaProf Dr George I Mihalaşş

UMF Victor BabeşUMF Victor Babeş


CURSUL 2CURSUL 2NONOȚIUNI DEȚIUNI DE

BIOFIZICĂBIOFIZICĂ


Obiectul și capitolele biofiziciiObiectul 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


Planul cursuluiPlanul cursului• Biofizica molecularăBiofizica moleculară

– Structura atomuluiStructura atomului• Structura norului electronic

– Structura moleculeiStructura moleculei• Legături chimice, forţe intermoleculare

– Molecula de apăMolecula de apă• Structură, soluții, pH

• Biofizica celularăBiofizica celulară– Termodinamica biologicăTermodinamica biologică– Fenomene de transportFenomene de transport

• Transportul transmembranar– BioelectrogenezaBioelectrogeneza

• Potențialul celular6

Curs 2 Bioinformatica

Structura atomuluiStructura 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)

7


Structura Structura norului electronicnorului electronic• Completarea electronilor

- începând cu nivelul de cea mai joasă energie E (n = 1)• Ex: 11HH - 1s - 1s11, , 22HeHe - 1s - 1s22,, 33LiLi - 1s - 1s22 2s 2s11,, 44BeBe - 1s - 1s22 2s 2s22

- subnivelele nu au aceeaşi E, E creşte cu l, se începe cu l = 0 (s)• Ex: 55BB - 1s - 1s22 2s 2s22 2p 2pxx

11

– regula lui Hund:• orbitalii aceluiaşi subnivel au aceeaşi energie• se completează întâi fiecare orbital cu 1 electron cu acelaşi spin

• Ex: 66CC - 1s - 1s22 2s 2s22 2p 2pxx11 2p 2pyy

11,, 77NN - 1s - 1s22 2s 2s22 2p 2pxx11 2p 2pyy

11 2p2pzz11 , ,

88OO - 1s - 1s22 2s 2s22 2p 2pxx22 2p 2pyy

11 2p2pzz11 , , 99FF - 1s - 1s22 2s 2s22 2p 2pxx

22 2p 2pyy2 2 2p2pzz

11 , ,

1010NeNe - 1s - 1s22 2s 2s22 2p 2pxx22 2p 2pyy

2 2 2p2pzz22, , 11 11NaNa - 1s - 1s22 2s 2s22 2p 2pxx


2 2 33ss11,,

12 12MgMg - 1s - 1s22 2s 2s22 2p 2pxx22 2p 2pyy

2 2 2p2pzz2 2 33ss22, , 13 13AlAl - 1s - 1s22 2s 2s22 2p 2pxx


2 2 33ss2 2 33ppxx11,, etc.

– reprezentare schematică

8


9


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

10


Structura moleculei. Legături chimiceStructura moleculei. Legături chimiceLegătura covalentă (nepolară, polară)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

11


Legături chimiceLegături chimiceLegătura ionicăLegătura ionică

• Legătura ionică– Electronii sunt complet deplasaţi la unul dintre atomi

– Atracţie electrostatică între doi ioni

12


Forţe intermoleculareForţe intermoleculareLegătura van der Waals, punţile de hidrogenLegătura 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)

13 Curs 2 Bioinformatica

Molecula de apă


SoluțiiSoluții• Sisteme disperse

– 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-

15


pHpH

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.


pHpH

Scara pH : 0 - 14: 0-7 = acid, 7 = neutru7-14 = caracter bazic (alcalin)

Disocierea apei - produsul ionic al apeiSolutii tampon – mentin pH constant:

- acid tare + sarea sa

pH = pKa + log([f.deprot]/[f.protonata])


Termodinamică biologicăTermodinamică biologică• Parametri de stareParametri de stare: intensivi și extensivi

– Funcții de stare (U, G, S), potențial chimic (μ)

• Stare de echilibruStare de echilibru, procese termodinamice– Parametri de proces (variații)– Deosebirea gradient / variație

• Principiul al II-leaPrincipiul al II-lea: ∆S ≥ 0 (variația entropiei)– Procese reversibile / ireversibile, exemplu– Relația cu “ordinea”, demonul lui Maxwell– Particularitățile proceselor biologice:

• crește ordinea, entropia scade! (??)18


Forțe termodinamiceForțe termodinamice• 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 Legea Nernst-Planck pentru fluxuri t.d.


Procese cuplateProcese cuplate• Cicluri naturaleCicluri naturale

• Laturile metabolismuluiLaturile metabolismului:– Catabolism (degradare, exoenergetic, ∆S > 0) – Anabolism (sinteză, endoenergetic, ∆S < 0 )

• Termodinamica proceselor biologiceTermodinamica 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)

20


Fenomene de transportFenomene 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)

21


Transport transmembranarTransport transmembranar• Transport pasivTransport pasiv

– Canale ionice (explicația PK » PNa)

• Transport activTransport activ– Pompe ionice

• Electrogenice, non-electrogenice

– Suport energetic

• Pompa Na/KPompa Na/K• Structură, funcționare

22


PAUZAPAUZA


universitatea politehnica timiŞoara

Documents