Biophysics provides students with a basic view of the structure of matter and its properties from a physical point of view. The aim of the course is to equip students with the necessary theoretical knowledge, which is also important for describing the behaviour of various dosage forms in the body, and also introduces them to the biophysical principles of physiological processes of the human body. The knowledge obtained is in accordance with the requirements of follow-up courses and pharmaceutical practice. The topics are selected so that students can use the knowledge gained here in other subjects of study, especially in physical chemistry, pharmaceutical technology or analytical chemistry. Biophysics as a preparatory subject provides an optimal theoretical basis for the education of students at the Faculty of Pharmacy of Charles University across all areas of their studies.
Topics: structure of matter, states of matter and intermolecular forces, radioactivity, dosimetry – biological effects of ionizing radiation, radiation risks, free radicals, introduction to thermodynamics - gases, thermodynamics I - thermodynamic laws, phase equilibrium, one-, two- and multicomponent systems, thermodynamics II - chemical equilibrium, fluid mechanics, hydrodynamics, mechanics of solids, basics of rheology
Last update: Kuchařová Monika, Mgr., Ph.D. (20.09.2024)
Předmět biofyzika poskytuje studentům základní pohled na strukturu hmoty a její vlastnosti z fyzikálního hlediska. Cílem předmětu je vybavit posluchače potřebnými teoretickými znalostmi, které jsou důležité i pro popis chování různých lékových forem v organismu, a dále je seznamuje s biofyzikálními principy fyziologických procesů lidského těla. Obdržené znalosti jsou v souladu s požadavky navazujících předmětů a farmaceutické praxe. Témata jsou vybírána tak, aby znalosti zde získané mohli studenti využít v dalších předmětech studia, zejména ve fyzikální chemii, farmaceutické technologii nebo analytické chemii. Biofyzika jako přípravný předmět poskytuje optimální teoretický základ pro vzdělávání studentů na Farmaceutické fakultě Univerzity Karlovy napříč všemi úseky jejich studia.
Témata: struktura hmoty, stavy hmoty a mezimolekulové síly, radioaktivita, dozimetrie – biologické účinky ionizujícího záření, rizika záření, volné radikály, úvod do termodynamiky- plyny, termodynamika I- termodynamické zákony, fázové rovnováhy, jedno-, dvou- a vícesložkové soustavy, termodynamika II- chemické rovnováhy, mechanika kapalin, hydrodynamika, mechanika pevných látek, základy reologie
Last update: Kuchařová Monika, Mgr., Ph.D. (20.09.2024)
Course completion requirements -
The subject Biophysics is finished by the final exam. The examination is performed in the written form. The examination consists of 50 questions selected from the topics of individual lectures.The condition for successful examination is to gain the minimal 30 points from all questions.
Last update: Kuchařová Monika, Mgr., Ph.D. (20.09.2024)
Podmínkou úspěšného zakončení předmětu je složení zkoušky. Ta se koná písemnou formou a skládá se z 50 otázek vybraných z odpřednášených témat. Každá dílčí otázka je hodnocena maximálně 1 bodem, k úspěšnému složení zkoušky je potřeba získat alespoň 30 bodů z celkového počtu 50 bodů.
Last update: Kuchařová Monika, Mgr., Ph.D. (20.09.2024)
Glaser Roland. Biophysics. New York: Springer, 2012, s. ISBN 978-3-662-49596-4.
Lázníčková Alice, Kubíček Vladimír. Physical chemistry. : Charles university, Faculty of Pharmacy, 1998, s. ISBN .
Atkins Peter, de Paula Julio. ; Physical Chemistry for the Life Sciences. Oxford: Oxford University Press, 2011, s. ISBN 978-14-292-3114-5.
Last update: Kuchařová Monika, Mgr., Ph.D. (20.09.2024)
Syllabus -
Structure of matter
Forms of matter, force interactions, particles of matter, structure of atom, physico - chemical properties of molecules and their structure, biopolymers and their structure, dispersion systems and their properties
State of matter and intermolecular forces
Description of gases, liquids and solids from the point of view of the atomic hypothesis, properties of gases, liquids and solids, influence of intermolecular interactions on states of matter
Radioactivity
Definition, characterization, radioactive decay process, activity, physical half-life, proton/nucleon number, isotope, isobar, isotone, isomer, radioactive decay, types of radioactive radiation, interaction of ionizing radiation with nuclei and shells of atoms, nuclear reactions
Dosimetry – biological effects of ionizing radiation
Characterization of the response of living systems to radiation, direct and indirect effects of radiation, radiosensitivity, deterministic and stochastic effects of radiation, dosimetric definitions
Strategies of protection against ionizing radiation, dose limits, personal dosimeters and detectors of ionizing radiation, possibilities of using radionuclides in therapy and diagnostics, methods of obtaining radionuclides
Introduction to Thermodynamics – gases
Temperature, properties of gases (ideal gas, real gases), pressure, Boyle's law, Charles' law, ideal gas equation of state, heat, work, compression/expansion of ideal gas-isothermal reversible, against constant pressure, adiabatic, Carnot cycle
Thermodynamics I – thermodynamic laws
Types of thermodynamic systems, energy transfer, 0. thermodynamic law, temperature, state functions, 1. thermodynamic law, concept of internal energy and enthalpy, heat capacity, Hess's law, standard state, 2. thermodynamic law, concept of entropy, reversible and irreversible processes, general equilibrium conditions, Gibbs and Helmholtz energy, combined formulations of 1st and 2nd law of thermodynamics, 3. law of thermodynamics
Phase equilibria, one-component systems
Gibbs' law of phases, one-component systems, phase diagram, Clausius-Clapeyron equation
Phase equilibria, two- and more-component systems
Two-component systems, Dalton's law, Henry's law, solid-solvent solubility, Raoult's law and its applications, colligative properties, cryoscopy and ebulioscopy, osmotic pressure, three-component systems, Nernst's partition law, extraction, thermal analysis - differential scanning calorimetry
Thermodynamics II – chemical equilibria
Gibbs energy reaction, chemical equilibrium, reaction isotherm, activity, equilibrium constant, dependence of equilibrium constant on temperature, van ́t Hoff's equation
Mechanics of fluids, hydrodynamics
Physical properties of fluids, classification of fluids, flow of ideal and real fluids, equations for ideal and Newtonian fluids, viscosity, equation describing the flow of real liquids
Mechanics of solids, basics of rheology
Physical properties and structure of solids, classification of solid bodies, deformation and mechanical stress, load curve, importance of rheology, rheological division of solids, rheological elementary bodies and rheological models, creep curves
Last update: Kuchařová Monika, Mgr., Ph.D. (24.09.2024)
Struktura hmoty
Formy hmoty, silové interakce, částice hmoty, stavba atomu, fyzikálně-chemické vlastnosti molekul a jejich struktura, biopolymery a jejich struktura, disperzní soustavy a jejich vlastnosti
Stav hmoty a mezimolekulové síly
popis plynů, kapalin a pevných látek z pohledu atomové hypotézy, vlastnosti plynů, kapalin a pevných látek, vliv mezimolekulových interakcí na stavy hmoty
Radioaktivita
Definice, charakterizace, proces radioaktivní přeměny, aktivita, fyzický poločas, protonové/nukleonové číslo, izotop, izobar, izoton, izomer, radioaktivní přeměna, typy radioaktivního záření, interakce ionizujícího záření s jádry a obaly atomů, jaderné reakce
Dozimetrie – biologické účinky ionizujícího záření
Charakterizace odpovědi živých systémů na záření, přímé a nepřímé efekty záření, radiosensitivita, deterministické a stochastické účinky záření, dozimetrické definice
Volné radikály
Definice, tvorba a radikálová chemie, reactive oxygen species, reactive nitrogen species, oxidativní stres
Dozimetrie – rizika záření
Strategie ochrany před ionizujícím zářením, dávkové limity, osobní dozimetry a detektory ionizujícího záření, možnosti využití radionuklidů v terapii a diagnostice, způsoby získávání radionuklidů
Úvod do termodynamiky – plyny
Teplota, vlastnosti plynů (ideální plyn, reálné plyny), tlak, Boyleův zákon, Charlesův zákon, stavová rovnice ideálního plynu, teplo, práce, komprese/expanse ideálního plynu-izotermická reverzibilní, proti konstantnímu tlaku, adiabatická, Carnotův cyklus
Termodynamika 1 – termodynamické zákony
Typy termodynamických systémů, transfer energie, 0. termodynamický zákon, teplota, stavové funkce, 1. termodynamický zákon, pojem vnitřní energie a entalpie, tepelné kapacity, Hessův zákon, standardní stav, 2. termodynamický zákon, pojem entropie, vratné a nevratné děje, obecná podmínky rovnováhy, Gibbsova a Helmholtzova energie, spojené formulace 1. a 2. věty termodynamické, 3. termodynamický zákon
Fázové rovnováhy, jednosložkové soustavy
Gibbsův zákon fází, jednosložkové soustavy, fázový diagram, Clausiova-Clapeyronova rovnice
Fázové rovnováhy, dvou a vícesložkové soustavy
Dvousložkové soustavy, Daltonův zákon, Henryho zákon, rozpustnost tuhých látek, soustava tuhá látka – rozpouštědlo, Raoultův zákon a jeho využití, koligativní vlastnosti, kryoskopie a ebulioskopie, osmotický tlak, třísložkové soustavy, Nernstův rozdělovací zákon, extrakce, termická analýza- diferenční skenovací kalorimetrie
Termodynamika 2 - chemické rovnováhy
Gibbsova energie reakce, chemická rovnováha, reakční izoterma, aktivita, rovnovážná konstanta, závislost rovnovážné konstanty na teplotě, van´t Hoffova rovnice
Mechanika kapalin, hydrodynamika
Fyzikální vlastnosti kapalin, klasifikace kapalin, proudění ideálních a reálných kapalin, rovnice pro ideální a newtonovské kapaliny, viskozita, rovnice popisující proudění reálných kapalin
Mechanika pevných látek, základy reologie
Fyzikální vlastnosti a struktura pevných látek, klasifikace pevných těles, deformace a mechanická namáhání, zatěžovací křivka, význam reologie, reologické rozdělení těles, reologická elementární tělesa a reologické modely, křivky toku
Last update: Kuchařová Monika, Mgr., Ph.D. (24.09.2024)
Learning outcomes
After completing the Biophysics course, the student is oriented and understands the problems of: the structure of matter at the atomic level, understands the differences in the structure and properties of individual states of matter and the influence of these differences on molecular properties. They have an overview of the types of force interactions between atoms and understand the structure and the resulting properties of biological compounds. He knows what free radicals are, knows their most important representatives and deduces their negative effect on living organisms. He/she understands and can explain the concepts related to radioactivity, he/she can describe the principles of all types of radioactive transformations and interactions of radioactive radiation with atomic shells, he/she can explain how braking and characteristic X-rays are produced. They are familiar with the issue of radiation risks, know how to shield radiation α, β and γ including the choice of material. He/she knows the possibilities of entering the body of a source of ionizing radiation and the possibilities of protecting the body. He/she will describe the meaning of dose limits, he/she knows the principles of radiation protection of workers. It defines the term radiopharmaceuticals and deduces their use in practice. It will describe the principle of a radionuclide generator, particle accelerator and nuclear reactor. He/she understands the principle of biological effects of radiation, describes the terms deterministic and stochastic effects of radiation, knows what absorbed, equivalent and effective dose is. Understands the basic concepts in thermodynamics. Based on the behaviour of a large set of matter particles, it can predict some macroscopic aspects of the system's behaviour. They will understand the basic thermodynamic laws that govern all chemical, biological and physical processes. It understands in context the quantities of internal energy, enthalpy, entropy, Gibbs energy. They understand the concept of Helmholtz energy, they understand the principle of phase transformations from the point of view of thermodynamics. He/she has an overview of the phase equilibria of the simplest systems. They will gain basic knowledge in the field of thermodynamics of phase equilibria and the behaviour of multicomponent or multiphase systems important for pharmacy. They will gain basic knowledge about chemical equilibrium and spontaneity of chemical reactions. They will understand the context of chemical equilibrium and the value of standard reaction Gibbs energy. They will understand the equilibrium constant and its dependence on temperature. He/she can define a liquid, understands the basic laws of hydrostatics and understands their application in the measurement of the density of substances. He/she describes the flow of ideal and real liquids and knows the laws describing flowing liquids. He understands the difference between the properties and behaviour of ideal, Newtonian and non-Newtonian fluids. They understand what the viscosity of liquids is and understand the principles of its measurement using different types of viscometers and derive its importance for pharmaceutical technology. It can define solid bodies and their internal structure. They understand the concepts of mechanical stress, deformation. They understand the terms elastic, plastic, viscous and viscoelastic substance. Can sketch a loading curve and describe its typical sections. They know what rheology is, what its procedures are and what its importance is for describing the mechanical behaviour of materials, especially biological ones.
Learning outcomes:
On the basis of the knowledge and skills acquired, students will:
ØThey define the basic concepts of the topics of states of matter, free radicals, radioactivity, radiation risks, biological effects of radiation, thermodynamics, mechanics of liquids, mechanics of solids
ØThey will understand thedifferences in the structure and properties of individual states of matter and the influence of these differences on molecular properties.
ØThey are familiar with the laws of thermodynamics, understand energy conversions and the properties of substances at different temperatures and pressures
ØThey calculate the solid and liquid density, the dynamic viscosity of the liquid in the examples after entering the values of the necessary quantities
ØThey explain the principles of methods for measuring the density of solids and liquids and the viscosity of liquid
Last update: Kuchařová Monika, Mgr., Ph.D. (04.04.2025)
