Molekulární biofyzika: Principy a aplikace

Biofyzika je mezioborová disciplína, která zkoumá biologické objekty a problémy pomocí fyzikálních metod. Termín biofyzika se začal objevovat počátkem 20. století. Výzkum elektřiny v živých organismech započal v 18. století italským vědcem Luigim Galvanim. Německý lékař a fyzik Hermann von Helmholtz v 19. století změřil rychlost šíření nervového vzruchu a jeho studie fyziologie vidění a vnímání zvuků byly pro rozvoj biofyziky významné.

Na tyto a řadu dalších prací navázaly výzkumy ve 20. století. Švédský oftalmolog Allvar Gullstrand popsal na fyzikálních principech fungování oka, čímž položil základ modernímu očnímu lékařství. Britové Alan Lloyd Hodgkin a Andrew Huxley se zabývali měřením a vysvětlením mechanismu šíření elektrických potenciálů na neuronech. John Carew Eccles prozkoumal a vysvětlil fungování nervových spojů - synapsí. Tyto studie jsou dodnes platným základem pro chápání fungování nervového systému.

Ve fyzice přinesl popis látek na molekulární úrovni - ať již v pevném, kapalném či plynném skupenství - podstatný posun v pochopení jejich vlastností a chování. Rentgenografická difrakční analýza DNA, provedená na britských univerzitách v Cambridge a v Londýně, vedla k objevení její šroubovicové struktury. James D. Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins a Rosalind Franklinová popsali strukturu molekuly DNA v dubnu 1953 v časopise Nature. Tento objev je jedním z nejvýznamnějších objevů 20. století a jako klíčový vedl ke vzniku molekulární genetiky jako nového, pro moderní biologii nepostradatelného oboru.

V téže době, v 50. letech 20. století, byly zakládány vědecké ústavy a společnosti, nesoucí ve svém jménu označení biofyzikální. Za všechny uveďme Biophysical Society v USA nebo brněnský Biofyzikální ústav ČSAV. Jeho zakladatel a první ředitel prof. MUDr. RNDr. Ferdinand Herčík je považován za zakladatele biofyziky v Československu. Vesměs svým zaměřením vycházely a dodnes vycházejí z vymezení pojmu biofyziky jako vědeckého oboru, který zkoumá fyzikálními metodami biologicky významné molekuly a tak vede k vysvětlení a pochopení hlubších zákonitostí biologických jevů.

Pojem biofyzika bývá často chápán v podstatně širším smyslu. Zahrnuje výzkum reakce živých organismů na široké spektrum elektromagnetického záření a studie spadající do biomechaniky, které představují další velmi rozsáhlou oblast. Nejrůznější diagnostické a terapeutické postupy využívající fyzikálních metod jsou rovněž součástí biofyziky.

Lékařská biofyzika

Lékařská biofyzika je náplní studia na lékařských a veterinárních fakultách v některých zemích, například v České republice. Navazuje na tradici výuky fyziky pro studenty lékařské fakulty, přičemž tato výuka je uzpůsobena potřebám budoucích lékařů. Vedle rekapitulace a mírného rozšíření některých partií fyziky, zejména kvantové fyziky, jaderné fyziky a termodynamiky, jsou studenti seznamováni podrobněji s radiobiologií a především s principy lékařských přístrojů. Do výuky biofyziky bývají na některých fakultách zahrnuta i témata týkající se například lékařské fyziky, která se obvykle zabývá aplikací poznatků především jaderné a kvantové fyziky v medicíně.

Lékařský fyzik je hlavním odborníkem na práci se zdroji ionizujícího záření v medicíně, provádí plánování radioterapie a stará se o jadernou bezpečnost. Zákon č. 96/2004 Sb. tuto profesi pojmenovává "radiologická fyzika".

Lékařská biofyzika je dvousemestrální předmět zkoumající biologické objekty a problémy fyzikálními metodami. Cílem předmětu je vysvětlení biofyzikálních principů struktury a funkce živých organismů na molekulární a buněčné úrovni, a fyziologických procesů lidského těla na úrovni tkání a orgánů. Student získá základní znalosti fyzikálních oborů, které zastupují přímou návaznost na pochopení fyziologických procesů v lidském těle. Současně se seznámí s principy diagnostických a terapeutických přístrojů a jejich aplikacemi.

Principy a témata molekulární biofyziky

Základní charakteristiky hmoty, jako je látka a pole, jsou klíčové pro pochopení molekulární biofyziky. Mezi důležitá témata patří transport biologicky významných látek přes biologické membrány, včetně prosté a zprostředkované difuze, primárního a sekundárního aktivního transportu. Základy bioenergetiky, makroergické látky a jejich význam, jsou rovněž nezbytné pro studium.

Elektromagnetické záření a jeho spektrum, vlastnosti a zdroje, stejně jako interakce záření s látkou, jsou podstatné pro pochopení mnoha biologických procesů. Elektrické projevy buněk a tkání, mechanismy vzniku a šíření nervového signálu v rámci neuronu a v synapsích, včetně mechanismu synpase zprostředkované acetylcholinem, jsou studovány v rámci molekulární biofyziky. Dále se zkoumají neurotransmitery a jejich interakce, metabotropní a ionotropní receptory pro neurotransmitery.

Biofyzikální principy funkce telereceptorů a mechanismu šíření jejich signálu (zrak, chuť, čich) jsou dalším důležitým tématem. Neionizující elektromagnetické záření - jeho spektrum, vlastnosti, účinky a ochrana - je rovněž předmětem zájmu. Radioaktivita, přirozená i umělá, a charakteristika ionizujícího záření, jeho biologické účinky, detekce a ochrana, jsou nezbytné pro pochopení radiologie a nukleární medicíny.

Princip rentgenky, brzdné a charakteristické rentgenové záření, a výpočetní tomografie jsou klíčové pro radiodiagnostiku. Krevní oběh a aplikace molekulární biofyziky, včetně aplikace fyzikálních zákonů na krevní oběh a dýchání, sedimentace, reologie krve a hyperbarické komory, využívají proudění tekutin, rovnici kontinuity a Bernoulliho rovnici.

Praktická cvičení a aplikace

Praktická cvičení z biofyziky pokrývají širokou škálu experimentálních technik. V zimním semestru se studenti seznámí s bezpečností práce v laboratoři, požadavky na zpracování protokolu a chybami měření. Mezi měřené veličiny patří teplota (odporovým teploměrem, termočlánkovým teploměrem, infračerveným teploměrem, termokamerou), akustika (frekvenční analýza zdrojů zvuku, frekvenční analýza hlasu), viskozita, tlak (tlakoměry, měření krevního tlaku). Studenti se také učí principy geometrické a vlnové optiky, včetně použití optických soustav, lupy, dalekohledu, mikroskopu, fotometrie, ohybu světla na mřížce, spekter zdrojů světla, míchání barev, zrakových vjemů, optických klamů a polarimetrie.

V letním semestru se praktická cvičení zaměřují na pokročilejší aplikace, jako je UV-VIS absorpční spektrofotometrie (stanovení oxidace hemoglobinu, antioxidační aktivity, koncentrace proteinů), měření rozměrů mikroskopických objektů pomocí světelného mikroskopu, měření pH, centrifugace a chromatografie (TLC rostlinných a syntetických pigmentů). Dále se provádí ultrazvuková diagnostika, detekce ionizujícího záření a princip vzniku CT obrazu, perimetrie (vyšetření zorného pole) a demonstrace účinků fyzikální terapie, radiodiagnostika a nukleární medicína.

Zkouška z biofyziky obvykle zahrnuje kombinovaný test, který může obsahovat elektronický test s otázkami vycházejícími z přednášek, cvičných testů a úloh ze cvičení. Není nutností se učit z učebnic, postačí prezentace k přednáškám. Předmět je koncipován jako teoretický a jeho předmětem jsou základy biofyziky a její využití v oblasti fyzioterapie, medicínských diagnostických a léčebných metod. Studenti získají základní informace o fyzikálních odlišnostech jednotlivých metod a jejich biologických účincích a seznámí se s jednotlivými druhy těchto metod a přístroji, kterými jsou tato vyšetření prováděna.

Cílem studia je navázat na základy lékařské fyziky, pochopení interakcí fyzikálních polí a hmoty s tkání, reakce organismu a tkání na působení fyzikálních silových polí. Studijní předmět řeší biologické děje v organizmu, osmotický tlak, transportní jevy, fyziku proudění krve v cévách.

tags: #prf #muni #molekularni #biofyzika