Biophysics for fyziology - MB150P05

• Title: Biofyzika pro fyziology
• Czech title: Biofyzika pro fyziology
• Guaranteed by: Department of Physiology (31-152)
• Faculty: Faculty of Science
• Actual: from 2020
• Semester: winter
• E-Credits: 3
• Examination process: winter s.:written
• Hours per week, examination: winter s.:1/1, Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Note: enabled for web enrollment
• Guarantor: prof. RNDr. Jiří Pácha, DrSc.
• Teacher(s): prof. RNDr. Jiří Pácha, DrSc.

Annotation

English

Please note, the lectures is given in Czech language only.
This is a combination of lectures and tutorials, where typical examples will be solved that can be encountered in experimental physiological research using physical chemical approaches from the field of electrochemistry, chemical thermodynamics and nuclear chemistry.

Last update: Horníková Daniela, RNDr., Ph.D. (25.10.2019)

Czech

Přednáška spojená s cvičením, kde budou řešeny typické příklady, s kterými se setkává experimentátor v oblasti fyziologického výzkumu a kde využívá fyzikálně chemických přístupů z oblasti elektrochemie, chemické termodynamiky a jaderné chemie.

Last update: Horníková Daniela, RNDr., Ph.D. (28.03.2019)

Literature

English

Kotyk, A., Janáček, K.: Membrane transport, Academia Praha 1977. 
Glaser, R.: Biophysics: An Introduction, Springer 2010.

Last update: Horníková Daniela, RNDr., Ph.D. (25.10.2019)

Czech

Kotyk, A., Janáček, K.: Membrane transport, Academia Praha 1977.
Glaser, R.: Biophysics: An Introduction, Springer 2010.

Last update: Horníková Daniela, RNDr., Ph.D. (28.03.2019)

Requirements to the exam

English

The course is completed by a written test.

Last update: Horníková Daniela, RNDr., Ph.D. (25.10.2019)

Czech

Předmět je ukončen písemným testem a ústní zkouškou

Last update: Pácha Jiří, prof. RNDr., DrSc. (28.01.2026)

Syllabus

Definice elektrického potenciálu, potenciál kapalinového rozhraní, difúzní potenciál (hrotový potenciál v elektrofyziologii), pohyblivost iontů
Stav termodynamické rovnováhy a stacionární rovnováha. Definice elektrochemického potenciálu. Odvození Nernstovy rovnice a fyziologický význam Nernstova rovnovážného potenciálu
Odvození Gibbs-Donnanovy rovnováhy a její aplikace ve fyziologii. Definice osmotického tlaku, van’t Hoffova formule pro výpočet osmotického tlaku, rozdíl aktivita vs. koncentrace iontu, iontová síla
Stacionární nerovnovážný potenciál na membráně a teoretický přístup k formálnímu popisu. Teorellova rovnice a její omezení. Skalárové vs. vektorové pole, definice gradientu. Nernst-Planckova rovnice elektrodifúze.
Hendersonovo a Goldmanovo řešení rovnice elektrodifúze. Hodkin & Huxley - úprava Goldmanovy rovnice pro membránový potenciál jako funkce extarcelulární a intracelulární koncentrace iontů. Nernstův rozdělovací koeficient. Definice permeabilitního koeficientu.
1. Fickův zákon difúze jako zjednodušení rovnice elektrodifúze. Vztah difúzního a permeabilitního koeficientu.
Elektrody 1. a 2. druhu, pH elektroda, argentchloridová elektroda, kalomelová elektroda, iontově selektivní mikroelektrody. Oxidačně-redukční potenciál, volná energie oxidačně redukčních reakcí.
Modelování permeabilitních vlastností membrány jako elektrického obvodu, vodivost elektromotorická síla, převodové číslo, voltampérová charakteristika a její využití v elektrofyziologii. Hodkin-Horowiczova rovnice.
Biofyzika transportu vody, osmóza, objemový tok, hydraulická permeabilita, osmotická permeabilita, solvent drag.
Radioaktivita (izotopy a jejich stabilita, štěpné a termojaderné reakce, radioaktivní rozpad, poločas rozpadu, radioaktivní záření a jeho konverze, specifická aktivita, rozpadový zákon, použití izotopů v biologii)
Principy kompartmentové analýzy, net uptake, one-way flux, tracer. Fyzikální principy hemodynamiky.

Last update: Pácha Jiří, prof. RNDr., DrSc. (28.01.2026)

Learning outcomes

Biofyzika pro fyziology MB150P05

Po absolvování přednášky student:

·         definuje základní pojmy fenomenologické termodynamiky

·         definuje osmotický tlak a pojem osmolarity roztoku a  vysvětlí, jak se na polopropustných membránách živých soustav osmotický tlak vytváří. Vysvětlí rozdíl mezi osmotickým a onkotickým tlakem

·         odvodí Nernstovu rovnici a interpretuje, jak určuje chemické a elektrické síly na biologické membráně

·         definuje a odvodí vztah pro Donnanovu rovnováhu a interpretuje biologické důsledky

·         definuje Fickův zákon difúze

·         s využitím Teorellovy rovnice  a Goldmannovy rovnice konstantního pole vysvětlí stacionární membránový potenciál popsaný Goldmann – Hodkin – Katzovou rovnicí

·         graficky znázorní elektrický model biologické membrány, definuje jednotlivé prvky modelu a vysvětlí rozdíly mezi iontovým a kapacitním proudem

·         vysvětlí solvataci v roztocích elektrolytů a roztocích bílkovin

·         vysvětlí efekt statického povrchového náboje membrány na membránový potenciál

·         definuje a ve správném kontextu použije pojmy: izotop, tracer, a, b, g záření, curie, becquerel, specifická aktivita, poločas rozpadu

·         definuje a odvodí rozpadový zákon a diskutuje jeho význam pro praktické použití radioaktivně značených látek ve fyziologickém a biochemickém výzkumu

·         diskutuje využití radioaktivních metod v biologickém výzkumu

·         diskutuje důsledky platnosti rovnice kontinuity a Bernoulliho rovnice pro hemodynamiku

·          popíše LaPlaceův a Poiseuilleův zákon a diskutuje jejich význam pro kardiovaskulární fyziologii. Vysvětlí odchylky od Poiseuilleova zákona v poddajné cévě.

·         definuje pojem viskozita a rozebere, jak se uplatňuje v hemodynamice

Last update: Pácha Jiří, prof. RNDr., DrSc. (29.01.2026)