Biofizika membran, celic in tkiv

Vpis v letnik študija.
Opravljena domača naloga je pogoj za pristop k ustnemu izpitu.

Uvod. Zgradba bioloških celic, celičnih organelov in drugih struktur, celična stena.
Polimerne mreže. Mrežaste strukture v celici. Toga in gibka biološka vlakna. Planarne (dvorazsežne) mreže: elastična teorija; membranske mreže, citoskelet. Prostorske (trorazsežne) mreže: prožnostni moduli, entropijska elastičnost, perkolacija. Koncentrirane raztopine polgibkih polimerov kot mreže: elastične in reološke lastnosti. Mikrotubuli.
Membrane. Samoorganizacija amfifilov v vodi, lipidni dvosloj. Elastična teorija dvosloja: upogibna, natezna deformacija. Termične undulacije, persistenčna dolžina dvosloja. Vesikli. znotrajcelične membranske strukture: mitohondriji, endoplazmatski retikulum, Golgijev aparat.
Interakcija med membranami. Elektrostatične in van der Waalsove sile; entropijski odboj membran in polimerov; adhezijske sile.
Celica. Preproste celice: rdeča krvnička, oblike; bakterije.
Dinamika filamentov. Celične strukture v gibanju. Polimerizacija aktina in tubulina. Molekularni motorji: translacijsko in rotacijsko gibanje.
Transport preko membrane. Pregled transportnih mehanizmov. Difuzija, transport topila, osmoza. Pasivni, aktivni transport ionov. Elektro-osmoza, Nernstov potencial, Donnanovo ravnovesje. Mitohondriji.
Živčni impulzi. Celična membrana kot električno omrezje, aksoni, akcijski potencial, širjenje živčnega impulza, Hodgkin-Huxleyev mehanizem, nastanek impulza, sinapse.
Homeostaza. Regulacija celične prostornine, mehanizmi homeostaze, homeostaza v preprostih modelih celice.
 

T. F. Weiss, Cellular Biophysics, MIT Press, Cambridge, 1996,
D. Boal, Mechanics of the Cell, Cambridge University Press, Cambridge, 2002,
P. Nelson, Biological Physics, W. H. Freeman, New York, 2004,
J. Howard, Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton, Sinauer Associates, Sunderland, 2001,
R. Glaser, Biophysics, Springer, Berlin, 2005.

Predstaviti mezoskopsko teoretično fizikalno osnovo zgradbe in delovanja biološke celice. Izpostaviti i) membrano kot entiteto, ki celico razmeji od okolice, ii) mrežaste strukture, ki ji dajejo oporo in obliko, ter iii) transport preko membrane kot temeljni mehanizem izmenjave snovi in signalov na celični ravni.

Znanje in razumevanje
Razumevanje fizikalnih plati i) zgradbe osnovnih gradnikov celic kot samoorganiziranih molekularnih struktur in ii) najpomembnejših transportnih procesov v celicah.
Uporaba
Slušatelji se naučijo uporabljati fizikalne teorije (predvsem metode elastomehanike, elektrostatike in statistične fizike ter fizike mehke snovi) za študij mezoskopskih in mikroskopskih struktur in procesov v biologiji. Obenem se naučijo prepoznati fizikalno vsebino v bioloških procesih na celični ravni.
Refleksija
Predmet nudi vpogled v pomen in domet mezoskopskega opisa bioloških sistemov s fizikalnimi modeli. Ob tem se slušatelji zavedo, da je za zasnovo učinkovitega modela nujno tako natančno poznavanje fenomenologije strukture ali procesa, ki ga želimo opisati, kot sposobnost identifikacije primarnih in sekundarnih mehanizmov.
Prenosljive spretnosti - niso vezane le na en predmet
Slušatelji se naučijo interdisciplinarne analize zapletenih sistemov in uporabe fizikalnih modelov na vrsti ravni s različnimi značilnimi časovnimi, krajevnimi in energijskimi skalami.

predavanja, vaje, seminar, individualne naloge, konzultacije

Opravljena domača naloga (pisni izdelek in predstavitev) šteje kot izpit iz vaj
(ocene: 5 (negativno), 6-10 (pozitivno), ob upoštevanju Statuta UL)
Ustni izpit iz teorije

1. ZIHERL, Primož, SVETINA, Saša. Flat and sigmoidally curved contact zones in vesicle-vesicle adhesion. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, ISSN 0027-8424, 2007, letn. 104, št. 3, str. 761-765. [COBISS-SI-ID 22325721].
2. HOČEVAR BREZAVŠČEK, Ana, ZIHERL, Primož. Degenerate polygonal tilings in simple animal tissues. Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics, ISSN 1539-3755, 2009, vol. 80, no. 1, str. 011904-1-011904-7. [COBISS-SI-ID 22730279].
3. SAKASHITA, Ai, URAKAMI, Naohito, ZIHERL, Primož, IMAI, Masayuki. Three-dimensional analysis of lipid vesicle transformations. Soft matter, ISSN 1744-683X, 2012, vol. 8, no. 33, str. 8569-8581, doi: 10.1039/C2SM25759A. [COBISS-SI-ID 26017319].
4. HOČEVAR BREZAVŠČEK, Ana, RAUZI, Matteo, LEPTIN, Maria, ZIHERL, Primož. A model of epithelial invagination driven by collective mechanics of identical cells. Biophysical journal, ISSN 0006-3495, 2012, vol. 103, no. 5, str. 1069-1077, doi: 10.1016/j.bpj.2012.07.018. [COBISS-SI-ID 26113063].

5. KRAJNC, Matej, ŠTORGEL, N., HOČEVAR BREZAVŠČEK, Ana, ZIHERL, Primož. A tension-based model of flat and corrugated simple epithelia. Soft matter, ISSN 1744-683X, 2013, vol. 9, no. 34, str. 8368-8377, doi: 10.1039/c3sm51588e. [COBISS-SI-ID 26927143].