Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Biofizyka
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
JMNB-1-412-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Mikro- i nanotechnologie w biofizyce
Semestr:
4
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Prowadzący moduł:
dr hab. Matuszak Zenon (Zenon.Matuszak@fis.agh.edu.pl)
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

Kurs zapoznaje studenta z podstawowymi zagadnieniami biofizyki ogólnej i molekularnej, zastosowaniami biofizyki do rozwiązywania problemów biologicznych szczególnie w obszarze mikro-i nanotechnologii.

Opis efektów uczenia się dla modułu zajęć
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Powiązania z KEU Sposób weryfikacji i oceny efektów uczenia się osiągniętych przez studenta w ramach poszczególnych form zajęć i dla całego modułu zajęć
Wiedza: zna i rozumie
M_W001 Student posiada podstawową wiedzę o wybranych zagadnieniach biofizyki i potrafi wskazać ich rolę wstawianiu i rozwiązywaniu problemów mikro - i nanotechnologicznych.Student zna i rozumie podstawy biotermodynamiki, biokinetyki, neuro- i elektrofizjologii, biofotoniki oraz biomechaniki wraz biohydrodynamiką. Posiada wiedzę o mechanizmach regulacyjnych i integracyjnych na poziomie komórek, tkanek i organizmów - postrzega układy żywe jako specyficzne systemy o charakterze nanaotechnologicznym. (pod pojęciem "podstawowa" należy rozumieć wszystkie pojęcia omawiane w ramach wykładu) MNB1A_W07, MNB1A_W01, MNB1A_W05, MNB1A_W03, MNB1A_W02, MNB1A_W04, MNB1A_W06 Egzamin,
Aktywność na zajęciach
M_W002 Student zna podstawowe przyrządy i zasady prowadzenia pomiarów stosowanych w studiowanych obszarach biofizyki oraz potrafi zinterpretować wyniki podstawowych eksperymentów w/w obszarach Zna elementarne zasady symulacji komputerowych dla studiowanych obszarów biofizyki. Wiedzę tę wiąże z możliwymi zastosowaniami w bionanotechnologii. (pod pojęciem "podstawowe" należy rozumieć wszystkie pojęcia omawiane w ramach wykładu) MNB1A_W07, MNB1A_W01, MNB1A_W05, MNB1A_W03, MNB1A_W02, MNB1A_W04, MNB1A_W06 Egzamin,
Aktywność na zajęciach
Umiejętności: potrafi
M_U001 Student potrafi prowadzić proste obliczenia termodynamiczne dla podstawowych reakcji biochemicznych. Student potrafi prowadzić proste rozważania z zakresu różnych zagadnień biokinetyki i zagadnień transportu w układach biologicznych. Potrafi uwzględnić specyfikę systemów mikro i nano i właściwie zinterpretować eksperyment oraz wyniki symulacji komputerowych. MNB1A_U04, MNB1A_U03, MNB1A_U11, MNB1A_U02, MNB1A_U01, MNB1A_U05, MNB1A_U06 Wynik testu zaliczeniowego,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U002 Student potrafi zanalizować i zinterpretować wybrane podstawowe zależności dla oddziaływania różnego rodzaju bodźców na układy biologiczne, oszacować wielkość odpowiedzi danego systemu ze szczególnym uwzględnieniem mikro - i nanodetekcji. MNB1A_U04, MNB1A_U07, MNB1A_U11, MNB1A_U02, MNB1A_U01, MNB1A_U05, MNB1A_U06 Zaliczenie laboratorium,
Zaangażowanie w pracę zespołu,
Wypracowania pisane na zajęciach,
Wynik testu zaliczeniowego,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Kompetencje społeczne: jest gotów do
M_K001 Student potrafi konstruktywnie współpracować w zespole rozwiązującym problemy laboratoryjne i rachunkowe. Potrafi samodzielnie zdobyć odpowiednią wiedzę i umiejętności, niezbędne do realizacji jego części zadania zespołowego MNB1A_K04, MNB1A_K03, MNB1A_K02, MNB1A_K05, MNB1A_K01 Zaliczenie laboratorium,
Zaangażowanie w pracę zespołu,
Wypracowania pisane na zajęciach,
Wynik testu zaliczeniowego,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych,
Wykonanie ćwiczeń
M_K002 Student angażuje się w dyskusję w grupie, jak również z prowadzącym, potrafi dobrze sformułować swoje argumenty, uwzględniając w trakcie dyskusji wagę zarówno własnych argumentów, jak też innych jej uczestników. MNB1A_K04, MNB1A_K03, MNB1A_K05, MNB1A_K01 Zaliczenie laboratorium,
Zaangażowanie w pracę zespołu
Liczba godzin zajęć w ramach poszczególnych form zajęć:
SUMA (godz.)
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
60 30 0 15 15 0 0 0 0 0 0 0
Matryca kierunkowych efektów uczenia się w odniesieniu do form zajęć i sposobu zaliczenia, które pozwalają na ich uzyskanie
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Forma zajęć dydaktycznych
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Wiedza
M_W001 Student posiada podstawową wiedzę o wybranych zagadnieniach biofizyki i potrafi wskazać ich rolę wstawianiu i rozwiązywaniu problemów mikro - i nanotechnologicznych.Student zna i rozumie podstawy biotermodynamiki, biokinetyki, neuro- i elektrofizjologii, biofotoniki oraz biomechaniki wraz biohydrodynamiką. Posiada wiedzę o mechanizmach regulacyjnych i integracyjnych na poziomie komórek, tkanek i organizmów - postrzega układy żywe jako specyficzne systemy o charakterze nanaotechnologicznym. (pod pojęciem "podstawowa" należy rozumieć wszystkie pojęcia omawiane w ramach wykładu) + - + + - - - - - - -
M_W002 Student zna podstawowe przyrządy i zasady prowadzenia pomiarów stosowanych w studiowanych obszarach biofizyki oraz potrafi zinterpretować wyniki podstawowych eksperymentów w/w obszarach Zna elementarne zasady symulacji komputerowych dla studiowanych obszarów biofizyki. Wiedzę tę wiąże z możliwymi zastosowaniami w bionanotechnologii. (pod pojęciem "podstawowe" należy rozumieć wszystkie pojęcia omawiane w ramach wykładu) + - + + - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Student potrafi prowadzić proste obliczenia termodynamiczne dla podstawowych reakcji biochemicznych. Student potrafi prowadzić proste rozważania z zakresu różnych zagadnień biokinetyki i zagadnień transportu w układach biologicznych. Potrafi uwzględnić specyfikę systemów mikro i nano i właściwie zinterpretować eksperyment oraz wyniki symulacji komputerowych. + - + + - - - - - - -
M_U002 Student potrafi zanalizować i zinterpretować wybrane podstawowe zależności dla oddziaływania różnego rodzaju bodźców na układy biologiczne, oszacować wielkość odpowiedzi danego systemu ze szczególnym uwzględnieniem mikro - i nanodetekcji. + - + + - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi konstruktywnie współpracować w zespole rozwiązującym problemy laboratoryjne i rachunkowe. Potrafi samodzielnie zdobyć odpowiednią wiedzę i umiejętności, niezbędne do realizacji jego części zadania zespołowego + - + + - - - - - - -
M_K002 Student angażuje się w dyskusję w grupie, jak również z prowadzącym, potrafi dobrze sformułować swoje argumenty, uwzględniając w trakcie dyskusji wagę zarówno własnych argumentów, jak też innych jej uczestników. + - + + - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 127 godz
Punkty ECTS za moduł 5 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 60 godz
Przygotowanie do zajęć 40 godz
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 20 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Dodatkowe godziny kontaktowe 5 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (30h):
  1. Wprowadzenie (1 godz.)

    Miejsce biofizyki w systemie nauk biomedycznych, skład, architektura i funkcje komórki, najważniejsze biomolekuły –struktura chemiczna, reguły organizacji systemów biologicznych.

  2. Elementy biotermodynamiki równowagowej (2 godz.)

    Mikroskopowy i makroskopowy opis układu, zasady termodynamiki, temperatura, entropia, potencjały termodynamiczne, potencjał chemiczny, równowaga chemiczna. elementy termodynamiki chemicznej i biochemicznej.

  3. Woda jako podstawowe środowisko procesów życiowych (1 godz.)

    Oddziaływania międzymolekularne, budowa cząsteczki wody, wiązanie wodorowe, własności ciekłej wody, roztwory wodne molekuł, hydratacja, hydrofobowość, samoorganizacja

  4. Elementy bioelektrochemii (4 godz.)

    Budowa błony biologicznej, wodne roztwory elektrolitów, równowagi heterofazowe, potencjał elektrochemiczny, ogniowo elektrochemiczne i potencjał elektrodowy, pH, potencjał redoksowy, biologiczne utleniacze i reduktory, równowagi membranowe-potencjał Donnana, osmoza, komórka jako system biolektrochemiczny, metody elektrochemiczne w biofizyce – sensory i nanobioelektrochemia.

  5. Elementy biotermodynamiki procesów nierównowagowych – bioenergetyka i transport (4 godz.)

    Nierównowagowa termodynamika liniowa – bodźce i przepływy, zasada Onsagera, dyfuzja, stany stacjonarne, zasada Prigogine’a, transport elektronów i łańcuch oddechowy, transport przez membrany: dyfuzja, dyfuzja ułatwiona i kanały jonowe, elektrodyfuzja i transport sprzężony, reakcje sprzężone, struktury dyssypacyjne, elementy teorii chemiosmotycznej Mitchella.

  6. Biokinetyka (4 godz.).

    Rodzaje zachowań dynamicznych w układach biologicznych, elementarna kinetyka chemiczna, zastosowania kinetyki chemicznej do systemów biologicznych: enzymy i kinetyka Michaelisa-Menten, wiązanie ligandów do makromolekuł – kooperatywność, wiązanie tlenu do hemoglobiny, nanomaszyny – maszyny molekularne naturalne i sztuczne, systemy ze sprzężeniem zwrotnym, układy dwu-stanowe, elementy biofizyki systemów – złożone schematy kinetyczne- grafy reakcji i regulacja, układy reakcja-dyfuzja

  7. Bioelektromagnetyzm klasyczny oraz mikro-i makroelektrofizjologia (4 godz.)

    Komórki nerwowe i mięśniowe anatomia i fizjologia, procesy aktywacji, kanały jonowei i i pompy– proste modele układów nano-porowych, potencjały czynnościowe i ich propagacja-równanie Nernsta-Plancka, GHK, model HH, przewodzenie impulsów nerwowych przez aksony- równanie kabla, metody voltage and current-clamp,dynamika neuronów i sieci neuronalne, metody diagnostyczne-elektrokardiografia, elektroencefalografia i magnetokardigrafia, własności dielektryczne komórek i tkanek, wpływ zmiennych pól elektromagnetycznych na komórki i tkanki, efekty elektrokinetyczne: elektroporacja, elektroforeza i dielektroforeza , komórkowy rezonas spinowy.

  8. Elementy biohydrodynamiki i teorii transportu (4 godz.) Transport biopłynów: elementy hydrodynamiki płynów w tym reologicznych, podejście makroskopowe i mikroskopowe do dynamiki biopłynówia, transport ciepła w układach biologicznych – podejście makro i mikroskopowe, transport masy w układach biologicznych, transport mikro- i nanocząstek, mikro- i nanofluidyka, transport tlenu, fale akustyczne w cieczach, charakterystyka ultradźwiękowa wody i tkanek, ultradźwięki ich zastosowanie w biomedycynie: efekt Dopplera, ultrasonografia, kawitacja. Biomechanika komórki- szkielet mikro-filamentarny, mechanika odkształceń błony biologicznej.
  9. Elementy biofizyki kwantowej (3 godz.)

    Elementarna chemia kwantowa: koncepcja funkcji falowej, równanie Schrödingera, opis stanów elektronów w molekułach, hybrydyzacja, spin i paramagnetyzm, wolne rodniki i ich rola biologiczna, stany wzbudzone: singletowy i trypletowy, tlen molekularny i stres oksydacyjny, antoksydanty, spektroskopia EPR, wprowadzenie do biofizyki sub-molekularnej.

  10. Elementy fotobiofizyki (2 godz.)

    Światło: fale i fotony, detekcja światła – wielkości radiometryczne i fotometryczne, budowa i funkcje oka, oddziaływanie promieniowania UV-VIS z materią (diagram Jabłońskiego), podstawowe prawa fotochemii i elementy kinetyki fotochemicznej, pojęcie przekroju czynnego, wydajności kwantowe, spektroskopia absorpcyjna i fluorescencyjna w biofizyce, metody badania szybkich reakcji, transport światła w strukturach biologicznych, równanie transportu światła – dyfuzja światła i metody Monte Carlo, reakcje fotouczulane, terapia fotodynamiczna nowotworów, fotosynteza, wstęp do bionanofotoniki komórki i organizmów – luminescencja i supersłaba bioluminescencja

  11. .Elementy biofizyki radiacyjnej ( 1 godz.)

    Charakterystyka fizyczna promieniowania jonizującego, podstawowe sposoby oddziaływania promieniowania jonizującego z materią, dawki i jednostki, LET i względna skuteczność biologiczna, radioliza wody i rola wolnych rodników w uszkodzeniach radiacyjnych- wydajność radiacyjna, kinetyka kompetycyjna radioprotektory i radiouczulacze, radiobiologia komórkowa – rozkład Poissona, krzywe przeżywalności i efekt tlenowy, radioterapia kontrola prawdopodobieństwa zniszczenia nowotworu, terapia jonowa, hormeza radiacyjna.

Ćwiczenia laboratoryjne (15h):
  1. Biotermodynamika równowagowa

    Nowoczesne metody opisu równowag chemicznych i biochemicznych.
    Pomiary potencjałów elektrodowych. Miareczkowanie.
    Symulacje komputerowe równowag chemicznych i biochemicznych (4 godz.).

  2. Elementarne zastosowania biofizyczne termodynamiki procesów nieodwracalnych

    Badanie eksperymentalne reakcji oscylacyjnych (reakcja Biełousowa – Żabotyńskiego) i struktur dyssypacyjnych.
    Proste modele komputerowe biologicznej kinetyki nieliniowej i układów regulatorowych ( sprzężenie zwrotne)

  3. Proste systemy biosensoryczne

    Wzmacniacze operacyjne – zasady działania i proste zastosowania,
    Sensory światła, elektrochemiczne (elektrody i tranzystory jonoselektywne), temperatury, piezoelektryczne. Podstawowe układy pomiarowe.
    Modele komputerowe podstawowych układów detekcyjnych w makro- i mikro- oraz nanoskali.

  4. Elementy biofotoniki

    Transport światła w ośrodkach optycznie nieprzezroczystych:
    podstawowe eksperymenty : rozpraszanie światła w układach koloidalnych, dyfuzja światła – proste symulacje Monte Carlo
    Wyznaczanie rozmiarów erytrocytów w eksperymencie dyfrakcyjnym

  5. Pola elektromagnetyczne a organizmy żywe

    Podstawowe sposoby pomiarów wielkości bioelektrycznych (biomagnetycznych).
    Wpływ pół elektromagnetycznych na organizmy żywe – rozwiązywanie równań Maxwella dla prostych systemów statycznych i quasi-statycznych (eksperymenty komputerowe),

Ćwiczenia projektowe (15h):

Zajęcia projektowe mają na celu praktyczne wykorzystanie wiedzy przekazywanej na wykładzie oraz umiejętności analizy danych laboratoryjnych. W szczególności, studenci w grupach będą przygotowywać opracowanie dotyczące wybranych problemów przerabianych na zajęciach laboratoryjnych, rozszerzających wykonane sprawozdanie.

Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Ćwiczenia laboratoryjne: W trakcie zajęć laboratoryjnych studenci samodzielnie rozwiązują zadany problem praktyczny, dobierając odpowiednie narzędzia. Prowadzący stymuluje grupę do refleksji nad problemem, tak by otrzymane wyniki miały wysoką wartość merytoryczną.
  • Ćwiczenia projektowe: Studenci wykonują zadany projekt samodzielnie, bez większej ingerencji prowadzącego. Ma to wykształcić poczucie odpowiedzialności za pracę w grupie oraz odpowiedzialności za podejmowane decyzje.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Ćwiczenia projektowe
Uczestnictwo zajęciach, wykonanie i zaliczenia projektu.
Ćwiczenia laboratoryjne
Uczestnictwo w zajęciach,wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych oraz zaliczenie sprawozdania.
Egzamin
Zaliczenie pozytywne kolokwium końcowego.

Warunkiem dopuszczenia do kolokwium końcowego jest .zaliczenie ćwiczeń laboratoryjnych i projektowych.

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Studenci winni na bieżąco zadawać pytania i wyjaśniać wątpliwości. Rejestracja audiowizualna wykładu wymaga zgody prowadzącego.
  • Ćwiczenia laboratoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci wykonują ćwiczenia laboratoryjne zgodnie z materiałami udostępnionymi przez prowadzącego. Student jest zobowiązany do przygotowania się w przedmiocie wykonywanego ćwiczenia, co może zostać zweryfikowane kolokwium w formie ustnej lub pisemnej. Zaliczenie zajęć odbywa się na podstawie zaprezentowania rozwiązania postawionego problemu. Zaliczenie modułu jest możliwe po zaliczeniu wszystkich zajęć laboratoryjnych.
  • Ćwiczenia projektowe:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci wykonują prace praktyczne mające na celu uzyskanie kompetencji zakładanych przez syllabus. Ocenie podlega sposób wykonania projektu oraz efekt końcowy.
Sposób obliczania oceny końcowej:

Oceny z ćwiczeń laboratoryjnych (L), ćwiczeń projektowych (P) oraz z kolokwium zaliczeniowego (E) obliczane są następująco: procent uzyskanych punktów przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.
Egzamin obejmuje cześć ogólną i laboratoryjną (traktowana jako zaliczenie ćwiczeń).

Ocena końcowa (OK) obliczana jest jako średnia ważona ocen z egzaminu (E) i z ćwiczeń laboratoryjnych (L):
OK = 0.5 x E + 0.3 x L+ 0.2 P
Uzyskanie pozytywnej oceny końcowej (OK) wymaga uzyskania pozytywnej oceny z ćwiczeń laboratoryjnych (L), projektowych (P) i egzaminu (E).

Sposób i tryb wyrównywania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:
  • Ćwiczenia laboratoryjne:* Nieobecność na jednych zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału.
    Student który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż jedno ćwiczenie i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości wyrównania zaległości.
    Ćwiczenia projektowe
    Nieobecność na ćwiczeniach wymaga od studenta samodzielnego opanowania materiału ćwiczeń.

Obecność na wykładzie: zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

Znajomość rachunku różniczkowego i całkowego w zakresie podstawowym.Pożądana elementarna wiedza z zakresu chemii i biochemii.

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

Podręczniki w języku polskim:
Beier W., Biofizyka, PWN, Warszawa,1968.
Ackerman E., Zarys biofizyki, , PWN, Warszawa, 1968.
Miękisz S., Hendrich A., Wybrane zagadnienia z biofizyki, Volumed, Warszawa, 1998
Glaser R., Wstęp do biofizyki. PZWL, Warszawa,1975.

Baza literaturowa będzie sukcesywnie uzupełniana.

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

1. Podgorska E., Drzal A., Matuszak Z., Swakon J., Slominski A., Elas M., Urbanska K., Calcitriol and calcidiol can sensitize melanoma cells to low-let proton beam irradiation // International Journal of Molecular Sciences, ISSN 1422-0067. — 2018 vol. 19 iss. 8 art. no. 2236, s. 1–15. — Wymagania systemowe: Adobe Reader. — Bibliogr. s. 11–15.
2. M. Szczygieł, B. Boroń, D. Szczygieł, M. Szafraniec, A. Susz, Z. Matuszak, K. Urbanska, L. Fiedor
Real-time Non-invasive Transdermal Monitoring of Photosensitizer Level in vivo for Pharmacokinetic Studies and Optimization of Photodynamic Therapy Protocol, J Analytical & Bioanalytical Techniques, 5/6 (2014) 1-9 .
3. Z. Matuszak, Fractional Bloch’s Equations Approach to Magnetic Relaxation, Current Topics in Biophysics, 37 (2014) 9-22.
4. Z. Matuszak, C. F. Chignell , K. J. Reszka, The acid-catalyzed interaction of melanin with nitrite ions. An EPR investigation. Nukleonika, 2015;60(3):475481, doi: 10.1515/nuka-2015-0084
5.Matuszak Z., Photodynamic therapy of melanoma. Monte Carlo modeling of light transport in human pigmented skin, Bio-Algorithms and Med-Systems, 2011,7(2), 85-93.
6. Urbanska K., B. Romanowska-Dixon, Z. Matuszak, J. Oszajca, P. Nowak-Sliwinska and G. Stochel, Indocyanine green as a prospective sensitizer for photodynamic therapy of melanomas, Acta Biochim.Polon. 49(2), 387-391, 2002.
7. Matuszak, Z., K.J. Reszka, and C.F. Chignell. Reaction of melatonin and related indoles with hydroxyl radicals. EPR and spin trapping investigations. Free Rad. Biol. & Med., 23, 3, 367-372,1997.

Informacje dodatkowe:

Brak