Last update: Mgr. Monika Kuchařová, Ph.D. (21.09.2023)
Biophysics provides physical basis of selected biological and physiological processes. The aim of this subject is to give students necessary theoretical knowledge, as well as to teach them the basics of laboratory practice including demonstration of a correct way of experimental procedure, making them familiar with the general laboratory instrumentation and learning them the basics of research methodology. All of this is done in the accordance with the requirements of related subjects and pharmaceutical practices. Biophysics affords an optimal theoretical and experimental basis for students´ education at the Faculty of Pharmacy of Charles University across all parts of their studies.
Topics: basics of error theory, measurement of some physical quantities, matter, biomembranes and transport of substances across them, free radicals, mechanics of fluids and biomechanics of the circulation of the blood, ultrasound and magnetic resonance imaging, radioactivity, optics and biophysics of vision, ionizing radiation – biological effects and the application, introductio to thermodynamics, X-ray and computed tomography, acoustics and biophysics of hearing.
Last update: Mgr. Monika Kuchařová, Ph.D. (21.09.2023)
Předmět biofyzika poskytuje studentům fyzikální výklad vybraných biologických a fyziologických dějů a znalosti základních fyzikálních měřicích metodik. Cílem tohoto předmětu je vybavit studenty potřebnými teoretickými znalostmi, dále pak naučit je základům laboratorní techniky včetně správných návyků pro vedení experimentů, seznámit je se základními přístroji v laboratoři a naučit základy metodiky vědecké práce. Toto vše je vedeno v souladu s požadavky navazujících předmětů a farmaceutické praxe. Biofyzika jako přípravný předmět poskytuje optimální teoretický i experimentální základ pro vzdělávání studentů na Farmaceutické fakultě Univerzity Karlovy napříč všemi úseky jejich studia.
Témata: základy teorie chyb, měření vybraných fyzikálních veličin, hmota, biologické membrány a transport látek přes membránu, volné radikály, mechanika kapalin a biomechanika krevního oběhu, ultrazvuk a magnetické rezonanční zobrazování, radioaktivita, optika a biofyzika vidění, ionizující záření (biologické působení a aplikace),úvod do termodynamiky, rentgenové záření a počítačová tomografie, akustika a biofyzika slyšení.
Course completion requirements - Czech
Last update: Mgr. Monika Kuchařová, Ph.D. (26.09.2023)
Podmínkou udělení zápočtu je splnění následujících podmínek:
1. Absolvování všech úloh v praktických cvičeních, které posluchači přísluší podle rozvrhu. Úlohy zameškané z jakéhokoli důvodu je třeba nahradit ve zvlášť určených termínech.
2. Úspěšné odevzdání protokolů z absolvovaných úloh.
3.Úspěšné vykonání zápočtového testu. Zápočtový test se vypracovává v prostředí programu Moodle, testové otázky vychází z úloh, keteré se učí v praktickém cvičení z biofyziky.
Podmínkou úspěšného zakončení předmětu je složení zkoušky. Ta se skládá z 50 otázek, které jsou vybírány z témat jednotlivých přednášek. Na tyto otázky studenti odpovídají písemně. K úspěšnému složení zkoušky je potřeba získat alespoň 30 bodů z celkového počtu 50 bodů.
Literature - Czech
Last update: Mgr. Monika Kuchařová, Ph.D. (21.09.2023)
Povinná:
Kuchařová M., Bárta P., Nováková V. . Praktická cvičení z biofyziky. Praha: Karolinum, 2021, s. ISBN 978-80-246-4987-0..
Navrátil, L., Rosina J. a kol.. Medicínská biofyzika. Praha: Grada, 2005, s. ISBN 80-247-1152-4.
Glaser Roland. Biophysics. New York: Springer, 2012, s. ISBN 978-3-662-49596-4.
Syllabus -
Last update: Mgr. Monika Kuchařová, Ph.D. (21.09.2023)
Theory of errors
absolute error, relative error, gross error, systematic errors, random errors, mean value, standard deviation of mena value, graphical processing of measurement results
Measurement of some physical quantities
Mass measurement – mass, weight, equal –arm balances, spring and torsion balances, tensometric balances
Density measurement - pycnometric method of measurement of solutions and solids, hydrometer, immersion body method
Viscosity measurement - viscosity, Newton´s law of viscosity, capillary viscometers, Hagen-Poiseuille´s equation, body viscometer, Stoke´s law, Höppler´s viscometer, rotational and torsion viscometers
Calorimetric measurements - heat, specific heat capacity, law of conversation of energy, electric calorimeter, heat capacity of calorimeter
Force interaction– 4 kinds of basic force interactions and energy of a particle in a force field
Particles– photons, leptons, mesons, baryons, and a dual character
Atom – atomic nucleus and shell (orbitals, quantum numbers)
Physical-chemical properties of molecules and their structure – strong and weak chemical interactions
Biopolymers and their structure
Dispersion system and its properties
Biological membranes and transport across membranes
Biomembrane - fluid mosaic model, function, lipid bilayer - composition and structure, micelles and liposomes - structute and importance
Membrane transport - passive transport (diffusion, osmosis), Donnan´s equilibrium, active transport (group translocation, transport via membrane vesicles, transport via specific transporters)
Free Radicals
Matter - atom structure, subatomic particles, quantum numbers, the four fundamental forces of nature, energy of particles
Free radicals – the formation of free radicals, reactive oxygen and nitrogen species and the characterization of the most important representatives, the reaction of free radicals with biomolecules (lipids, proteins and DNA), Oxidative stress, Fenton´s reaction for copper and iron
Fluid mechanics, basics of rheology and mechanics of body fluid flow
Liquid dynamics - liquids classification, flow of fluids, basic equations for ideal and Newtonian fluids - continuity equation, Bernoulli equation, Navier-Stokes equation, viscosity, Newton Law of viscosity, Hagen-Poiseuille´s law, Stoke´s law
Basics of rheology - importance, rheological classification of bodies, viscoeleasticity, rheological axioms, elementary rheological bodies and rheological models, rheological diagrams- creep curves
Body fluid flow - heart and circulatory system, cardiac cycle, quantification of heart activity, blood and blood pressure, hydromechanical laws important for the description of flow and pressure conditions in the bloodstream
Ultrasound and Magnetic Resonance Imaging (MRI)
The physical principle – the physical properties of ultrasound, transverse and longitudinal waves, acoustic impedance, the generation of echoes, intensity decrease of echoes
The imaging – A-scan, B-scan, piezoelectric and magnestrictive transducers, Motion Mode, TRSU and IVUS
Doppler shift – characterization of Doppler shift, its application in medicine (Doppler shift formula), CW and PW flowmeter, PW methods (CDI, SDR, CDE)
MRI - magnetic properties of nucleus, electromagnetic impulse, T1 and T2 time, TR, the principle of the resonance generation, weighted images, image reconstruction principle, MRA, FMRI, MRI application
Radioactivity
Radioactivity – radioactivity definitions and characterization, activity (quantity) and physical half-time, atomic number, mass number; isotopes, isobars, isotones and isomers definitions
Rays – alpha, beta and gamma radiation and their characterization
Interactions – the interaction of radiation with either atom shell or atom nucleus
Optics and Biophysics of Vision
Optics - spectrum and properties of electromagnetic radiation, light propagation - refraction and reflection of light, light diffraction and polarization, quantum optics
Biophysics of vision - optical system of an eye, near and distant point, accommodation range, visual acuity, retinal structure, mechanism of function of rode cells and cone cells, refractive defects of the eye
Ionizing Radiation – Biological Effects and the Application in Medicine
Dosimetry – the basic dosimetry quantities
Radiobiological effects – 4-step radiobiological effect and its pathological effects on cells and tissue/organ, cell cycle, direct and indirect effects of ionizing radiation, stochastic versus deterministic effects (ARS and CRS)
Radiotherapy – sealed and open sources, Irradiators – i) gamma radiation sources, ii) particle accelerators
Radiodiagnosis – 3D scintigraphy (PET and SPECT)
Introduction to thermodynamics
Temperature, properties of gases (ideal gas, real gases), pressure, Boyle’s law, Charles’s law, ideal gas law, heat, work, compression of ideal gas, Carnot cycle
X-rays
X-rays – the physical properties, X-ray tube, types of X-ray radiation, the interaction of X-ray with the matter, fluoroscopy and radiography, contrast agents
Computed Tomography – the description of the principle of the method, voxel, Hounsfield units
Hearing Biophysics - structure and function of an ear, hearing mechanism, audiometry
Practical trainings
Density measurement
Viscosity measurement
Heat measurement - calorimetry
Light Refraction Measurement - refractometry
Measurement of optical rotation - polarimetry
Measurement of light absorption - spectrophotometry
Biometric measurements
Biophysics of vision
Audiometry
Effect of molecular size on diffusion rate
Last update: Mgr. Monika Kuchařová, Ph.D. (21.09.2023)
Základy teorie chyb
absolutní chyba, relativní chyba, hrubá chyba, systematické chyby, náhodné chyby, aritmetický průměr, standartní chyba aritmetického průměru, grafické zpracování výsledků měření
Měření vybraných fyzikálních veličin
Měření hmotnosti – váhy pákové, pružinové a torzní, tenzometrické
Měření hustoty-pyknometrická metoda, metoda ponorného tělíska, Mohrovy vážky
Měření viskozity – Newtonův zákon viskozity, rotační viskozimetry, tělískové viskozimetry, Stokesův zákon, výtokové a kapilární viskozimetry, Hagen - Poiseuillův zákon
Spektrofotometrie – Lambertův a Lambert – Beerův zákon, absorbance, spektrofotometr
Hmota
Formy hmoty – látka a pole
Silové interakce – 4 druhy základních silových interakcí, energie částice v silovém poli
Částice hmoty – fotony, leptony, mezony, baryony, dualismus
Atom – atomové jádro a obal (orbital, kvantová čísla)
Fyzikálně-chemické vlastnosti molekul a jejich struktura – silné a slabé chemické interakce
Biopolymery a jejich struktura
Disperzní soustavy a jejich vlastnosti
Biologické membrány a transport látek přes membránu
Biomembrána- model fluidní mozaiky, funkce, lipidová dvojvrstva – složení a stavba
Transport látek přes membránu – pasivní transport (difúze, osmóza), Donnanova rovnováha, aktivní transport (skupinová translokace, transport pomocí membránových váčků, transport pomocí specifických přenašečů)
Kompartmentová analýza
Volné radikály
Definice, tvorba a radikálová chemie
Reactive Oxygen Species – hlavní zástupci této skupiny (tvorba/zánik, působení v organismu)
Reactive Nitrogen Species – hlavní zástupci této skupiny (tvorba/zánik, působení v organismu)
Poškozující účinek na biomolekuly – lipidová peroxidace, poškození proteinů a DNA
Oxidativní stres – princip/důsledky
Mechanika tekutin a základy reologie, biofyzika proudění tělních kapalin
Hydrodynamika - klasifikace kapalin, rovnice pro ideální a newtonovské kapaliny – rovnice kontinuity, Bernoulliho rovnice, proudění ideálních kapalin, rovnice pro viskózní kapaliny – Navier – Stokesova rovnice, viskozita, proudění reálných kapalin, Hagen –Poiseuillův zákon, Stokesův zákon
Základy reologie - vztah mezi deformací a namáháním (strain-stress křivka), rozdělění látek dle mechanických vlastností, dynamické namáhání, význam reologie, reologické rozdělení těles, reologická elementární tělesa a reologické modely, křivky toku
Proudění tělních tekutin – srdce a převodní systém srdeční, srdeční cyklus - fáze a popis tlakových a objemových změn, kvantifikace srdeční činnosti, krev a krevní tlak, hydromechanické zákony významné pro popis průtoků a tlakových poměrů v krevním řečišti
Ultrazvuk a magnetické rezonanční zobrazování (MRI)
Fyzikální vlastnosti – definice, akustická impedance, rozhraní (odraz vs transmise)
Princip zobrazování – časové zpoždění a pokles intenzity, A-scan, B-scan (2D, 3D and 4D zobrazení; T-M scan); IVUS
Dopplerův jev – princip (pohyblivý zdroj a stojící přijímač a opačně)
Radioaktivní přeměna – alfa, beta and gama; neutrony
Interakce ionizujícího záření s obaly atomů – excitace, ionizace, princip interakce alfa, beta a gama záření s absorbující hmotou
Interakce ionizujícího záření s jádry atomů – neutrony, pozitivně nabité částice, fotonukleární reakce
Jaderné reakce – princip (tepelné a rychlé neutrony), jaderná řetězová reakce
Optika a biofyzika vidění
Optika – spektrum a vlastnosti elektromagnetického záření, šíření světla – lom a odraz světla, disperze světla, optická spektra, vlnová optika- interference, difrakce a polarizace světla, základy paprskové optiky, kvantová optika¨
Biofyzika vidění – stavba oka, optický systém oka, blízky a vzdálený bod, akomodační šíře, zraková ostrost, stavba sítnice, mechanismus funkce tyčinek a čípků, refrakční vady oka
Ionizující záření (biologické efekty a aplikace v medicíně)
Radiobiologický efekt - fyzikální, fyzikálně-chemický, chemický a biologický proces; buněčný cyklus a buněčná radiosenzitivita; účinky ionizujícího záření (přímé, nepřímé); kyslíkový poměr
Radiační poškození – stochastické a deterministické účinky
Teplota, vlastnosti plynů (ideální plyn, reálné plyny), tlak, Boyleův zákon, Charlesův zákon stavová rovnice ideálního plynu, teplo, práce, komprese ideálního plynu, Carnotův cyklus
RTG a Výpočetní tomografie
RTG záření – vlastnosti, princip rentgenky, brzdné a charakteristické záření
Interakce RTg záření s hmotou – zeslabení intenzity záření, fotoelektrický jev, Comptonův rozptyl
Aplikace v lékařství – fluoroskopie, radiografie, kontrastní činidla
Computed Tomography – princip, atenuační faktor, voxel, Hounsfieldovy jednotky
Akustika a biofyzika slyšení
Akustika - akustické vlnění, vlnění v bodové řadě – harmonický pohyb, interference vlnění, rychlost vlnění, energie vlnění, intenzita zvuku, akustická spektra, fyziologická akustika – výška zvuku, hlasitost
Biofyzika slyšení – struktura a funkce ucha, mechanismus slyšení, audiometrie
Praktická cvičení z biofyziky
Měření hustoty
Měření viskozity
Měření tepla - kalorimetrie
Měření lomu světla - refraktometrie
Měření optické otáčivosti - polarimetrie
Měření světelné absorpce - spektrofotometrie
Biometrická měření
Biofyzika vidění
Audiometrie
Vliv velikosti molekuly na rychlost difúze
Learning resources - Czech
Last update: Mgr. Monika Kuchařová, Ph.D. (21.09.2023)
