UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIOARA MASTER SIIS Sisteme Informatice n

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, p. H • 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 / n 2 , r ~ n 2 – 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: 1 H - 1 s 1, 2 He - 1 s 2, 3 Li - 1 s 2 2 s 1, 4 Be - 1 s 2 2 s 2 - subnivelele nu au aceeaşi E, E creşte cu l, se începe cu l = 0 (s) • Ex: 5 B - 1 s 2 2 px 1 – regula lui Hund: • orbitalii aceluiaşi subnivel au aceeaşi energie • se completează întâi fiecare orbital cu 1 electron cu acelaşi spin • Ex: 6 C - 1 s 2 2 px 1 2 py 1, 7 N - 1 s 2 2 px 1 2 py 1 2 pz 1 , - 1 s 2 2 px 2 2 py 2 2 pz 1 , 8 O - 1 s 2 2 px 2 2 py 1 2 pz 1 , 9 F 10 Ne - 1 s 2 2 px 2 2 py 2 2 pz 2, 11 Na - 1 s 2 2 px 2 2 py 2 2 pz 2 3 s 1, - 1 s 2 2 px 2 2 py 2 2 pz 2 3 s 2, 13 Al - 1 s 2 2 px 2 2 py 2 2 pz 2 3 s 2 3 px 1, etc. 12 Mg – reprezentare schematică Curs 2 Bioinformatica 8

Curs 2 Bioinformatica 9

Atomul de carbon - hibridizări: sp 3, sp 2, 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 H 2, Cl 2) – Moleculă nepolară • Atomi diferiţi – atomul mai electronegativ atrage norul şi devine centru de sarcini negative (ex HCl, H 2 O) – 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-indus • Punţi de hidrogen – Între hidrogenul unei molecule polare )ca centru de sarcini pozitive şi electronii neparticipanţi ai altei molecule (ex H 2 O, NH 3, 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 (totală → , parțială ↔) – Acizi: elib. H+ AH → A- + H+ – Baze: captează H+ (elib. OH- în sol. apoase) BOH + H+ → B+ + H 2 O ↔ H+ + OH_______________________________ • Concentrații – Procentuală (g/100 ml soluție) – Molară (nr. moli/1 litru soluție) – Normală (nr. echiv. /1 litru sol. ) Curs 2 Bioinformatica BOH → B+ + OH- 15

p. H 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

p. H Scara p. H : 0 - 14: 0 -7 = acid, 7 = neutru 7 -14 = caracter bazic (alcalin) Disocierea apei - produsul ionic al apei Solutii tampon – mentin p. H constant: - acid tare + sarea sa p. H = p. Ka + log([f. deprot]/[f. protonata]) Curs 2 Bioinformatica 17

Termodinamică biologică • Parametri de stare: stare intensivi și extensivi – Funcții de stare (U, G, S), potențial chimic (μ) • Stare de echilibru, echilibru procese termodinamice – Parametri de proces (variații) – Deosebirea gradient / variație • Principiul al II-lea: 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: 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