1. Enzyme cascade to enzyme complex phase-transition-like transformation studied by the maximum entropy production principleAndrej Dobovišek, Tina Blaževič, Samo Kralj, Aleš Fajmut, 2025, original scientific article Abstract: In biological cells, soluble enzymes often spontaneously reorganize into higher-order complexes called metabolons, providing regulatory advantages over individual soluble enzymes under specific conditions. Despite their importance, the mechanisms underlying metabolon formation remain unclear. Here we report a theoretical model that elucidates the spontaneous transition between soluble enzyme cascades and complexes, driven by fluctuations in intermediate metabolite concentrations. The model integrates the maximum entropy production principle (MEPP) and the Shannon information entropy (MaxEnt), Landau phase-transition theory, kinetic modeling, stability analysis, and metabolic control analysis. Our results show that soluble enzymes and enzyme complexes represent two distinct catalytic states with unique kinetic and regulatory properties. The transition from an enzyme cascade to an enzyme complex displays features of a first-order phasetransition, highlighting the system's tendency to reorganize into its most thermodynamically favorable state, providing a potential pathway for metabolic regulation.
Keywords: theoretical modeling, irreversible thermodynamics, maximum entropy production principle, Shannon information entropy, first-order phase transition, enzyme organization, enzyme cascade, enzyme complex
Published in DKUM: 06.02.2025; Views: 0; Downloads: 2
 Full text (1,52 MB)
This document has many files! More... |
2. Liquid crystal based active electrocaloric regeneratorAndrej Dobovišek, Milan Ambrožič, Zdravko Kutnjak, Samo Kralj, 2023, original scientific article Abstract: The active electrocaloric (EC) regenerator exploiting electric conversion into thermal energy has recently become important for developing a new generation of heat-management devices. We analyze an active EC regenerator numerically. We establish a temperature span across the regenerator ΔT by commuting a liquid crystalline (LC) unit between regions with and without an external electric field E. In modelling, we use Landau-de Gennes mesoscopic approach, focusing on the temperature regime where isotropic (paranematic) and nematic phase order compete. We determined conditions enabling a large enough value of ΔT suitable for potential applications. In particular, (i) the vicinity of the paranematic-nematic (P–N) phase transition, (ii) large enough latent heat of the transition, (iii) strong enough applied external field (exceeding the critical field Ec at which the P–N transition becomes gradual), and (iv) relatively short contact times between LC unit and heat sink and heat source reservoirs are advantageous. Our analysis reveals that Δ T >> 1K could be achieved using appropriate LC material.
Keywords: liquid crystals, electrocaloric effect, phase behavior
Published in DKUM: 18.09.2024; Views: 0; Downloads: 2
Full text (3,23 MB)
This document has many files! More... |
3. Self-organization of enzyme-catalyzed reactions studied by the maximum entropy production principleAndrej Dobovišek, Marko Vitas, Tina Blaževič, Rene Markovič, Marko Marhl, Aleš Fajmut, 2023, original scientific article Abstract: The self-organization of open reaction systems is closely related to specific mechanisms that allow the export of internally generated entropy from systems to their environment. According to the second law of thermodynamics, systems with effective entropy export to the environment are better internally organized. Therefore, they are in thermodynamic states with low entropy. In this context, we study how self-organization in enzymatic reactions depends on their kinetic reaction mechanisms. Enzymatic reactions in an open system are considered to operate in a non-equilibrium steady state, which is achieved by satisfying the principle of maximum entropy production (MEPP). The latter is a general theoretical framework for our theoretical analysis. Detailed theoretical studies and comparisons of the linear irreversible kinetic schemes of an enzyme reaction in two and three states are performed. In both cases, in the optimal and statistically most probable thermodynamic steady state, a diffusion-limited flux is predicted by MEPP. Several thermodynamic quantities and enzymatic kinetic parameters, such as the entropy production rate, the Shannon information entropy, reaction stability, sensitivity, and specificity constants, are predicted. Our results show that the optimal enzyme performance may strongly depend on the number of reaction steps when linear reaction mechanisms are considered. Simple reaction mechanisms with a smaller number of intermediate reaction steps could be better organized internally and could allow fast and stable catalysis. These could be features of the evolutionary mechanisms of highly specialized enzymes.
Keywords: enzymes, kinetic data analysis, steady state, self-organization, maximum entropy production
Published in DKUM: 08.05.2024; Views: 234; Downloads: 11
Full text (2,57 MB)
This document has many files! More... |
4. Modeliranje imunskega odziva na okužbo z organizmom Pneumocystis jirovecii : magistrsko deloDarin Lah, 2022, master's thesis Abstract: Pneumocystis jirovecii ali krajše pnevmocista je mikroorganizem, uvrščen v kraljestvo gliv, ki pri imunokompromitiranih bolnikih ob oportunistični okužbi povzroči pnevmocistično pljučnico (PJP). Imunski odziv gostitelja ima ključno vlogo pri razvoju poteka bolezni. V magistrskem delu preučujemo imunski odziv na okužbo z organizmom Pneumocystis jirovecii in razvijemo fizikalno-matematični model, s katerim opišemo imunski odziv na okužbo pri imunokompetentnem in imunokompromitiranem gostitelju, okuženim s HIV. Pri razvoju modela upoštevamo naslednje celične populacije: okužene in neokužene celice pljučnega epitelija, alveolarne makrofage, limfocite B in CD4+T ter rekrutirane makrofage, ki se preobrazijo iz monocitov. Kot posrednike informacij med celicami in regulatorje celičnih interakcij upoštevamo dve vrsti citokinov. V modelu definiramo modelno stanje imunokompetentnega in tri različna modelna stanja imunokompromitiranega gostitelja. Model imunskega odziva sklopimo s standardnim dvoshrambnim farmakokinetičnim modelom peroralnega doziranja antibiotika sulfametoksazol/trimetoprim (SMX/TMP). Simuliramo različne klinično relevantne sheme doziranja SMX/TMP, s katerimi v klinični praksi preprečujejo ali zdravijo PJP. Osredotočimo se na simulacije časovnih potekov koncentracije pnevmociste v vseh definiranih modelnih stanjih z učinkovanjem ali brez učinkovanja antibiotika SMX/TMP. Rezultati modelnih simulacij kažejo, da v vseh modelnih stanjih koncentracija pnevmociste ob okužbi strmo naraste do maksimalne vrednosti in se nato ustali na nižji stacionarni vrednosti, ki se bistveno razlikuje med modelnimi stanji imunokompetentnega in imunokompromitiranega gostitelja. Na podlagi modelnih simulacij, v katere vključimo učinkovanje antibiotika, sklepamo, da s preventivnim načinom zdravljenja učinkovito preprečimo okužbo s pnevmocisto. Modelne simulacije zdravljenja PJP s pogostejšim doziranjem antibiotika kažejo, da pri zdravljenju populacijo pnevmociste hitro in uspešno zatremo v nekaj dneh.
Keywords: Pneumocystis jirovecii, imunski odziv, imunska pomanjkljivost, antibiotik, fizikalno-matematični model.
Published in DKUM: 20.09.2022; Views: 2177; Downloads: 81
Full text (2,04 MB) |
5. Maksimalna produkcija entropije in maksimalna shannonova informacijska entropija v encimski kinetikiMarko Šterk, 2018, master's thesis Abstract: Princip maksimalne produkcije entropije je osrednji optimizacijski princip neravnovesne termodinamike. Princip je dobro raziskan in uveljavljen v sistemih, kjer je zveza med silami in tokovi linearna. Za sisteme, kjer je ta zveza nelinearna pa princip še ni povsem uveljavljen. Primer sistema, kjer je zveza med silami in tokovi nelinearna, so encimske reakcije. V tem magistrskem delu z uporabo principa maksimalne produkcije entropije analiziramo encimsko reakcijo, ki jo poganja encim trioza-fosfat izomeraza, ki je pomemben člen v procesu glikolize in s tem pri proizvodnji energije v večini organizmov. Encim poganja reverzibilno reakcijo v kateri pretvarja substrat dihidroksi acetonfosfat v gliceraldehid-3-fosfat preko vmesnega člena iz skupine enediolov. Z upoštevanjem zakona o ohranitvi mase sistema, ohranitvi encima in fiksne ravnovesne konstante reakcije pokažemo, da v neravnovesnem stacionarnem stanju sistema obstaja maksimum produkcije entropije v odvisnosti od poljubno izbrane kinetične konstante encima. Pokazano je tudi, da v stanju z maksimalno produkcijo entropije soobstajata maksimuma Shannonove informacijske entropije in kinetične fleksibilnosti, kar pomeni, da je stanje z maksimalno produkcijo entropije hkrati tudi najverjetnejše stacionarno stanje, v katerem je encim najfleksibilnejši. Tako napovedane optimalne kinetične konstante encima trioza-fosfat izomeraza primerjamo z eksperimentalno določenimi vrednostmi iz literature in s teoretičnimi napovedmi, ki so jih podali drugi raziskovalci z uporabo svojih optimizacijskih metod.
Keywords: trioza-fosfat izomeraza, encimska kinetika, produkcija entropije, informacijska entropija, kinetična fleksibilnost
Published in DKUM: 04.02.2021; Views: 1281; Downloads: 71
Full text (773,67 KB) |
6. Primerjava kinetičnih lastnosti nekaterih encimov v rakastih in zdravih celicahJure Škorja, 2019, master's thesis Abstract: Pod pojmom rakasto obolenje razumemo mnogo različnih tipov bolezni, za katere je značilna preobrazba zdravih celic v rakaste in pomnožitev le-teh. Le-te se vraščajo v okoliška tkiva, jih okvarijo in pogosto tvorijo tudi zasevke. V tem zaključnem delu 2. stopnje smo raziskovali nastanek rakaste celice iz zdrave celice zaradi okvarjenih genov. Preučevali smo, kakšne spremembe se odvijajo v rakasti celici na nivoju celičnega metabolizma. Posebej nas je zanimalo, ali je možno najti encime, ki so pomembni pri teh spremembah, in kako so ti encimi okvarjeni, kakšne so njihove strukturne spremembe in njihove kinetične lastnosti. Omejili smo se na tri encime: fosfofruktokinaza-1 (PFK1), laktat dehidrogenaza (LDH) in ogljikova anhidraza 9 (CAIX). Poiskali smo različne podvrste encimov PFK1, ki so povezane z različnimi vrstami raka, ter preučili razlike v kinetičnih lastnostih teh encimov glede na njihov divji tip. V kinetiki encimov PFK1 smo odkrili občutne razlike med zdravim in rakastim tkivom. Pri encimu LDH smo ugotovili, da so vrednosti določenih kinetičnih parametrov višje v rakasti kot v zdravi celici. Na aktivnost encima LDH vpliva bližina mutiranega gena KRAS. Za encim CAIX smo ugotovili, da je močneje izražen v kar 11 od 16 rakastih tkiv, za katera je v literaturi možno najti podatke. Največje razlike v izraženosti encima CAIX med zdravim in rakastim tkivom so pri raku ledvic. Zaključimo lahko, da je metabolizem v rakasti celici bistveno drugačen kot v zdravi celici. Spremembe na encimih so posledica nastanka onkogenov. Pomemben faktor v nastanku spremenjenega metabolizma v rakastih celicah je pomanjkanje kisika.
Keywords: CAIX, LDH, PFK1, Warburgov učinek, metabolizem
Published in DKUM: 18.11.2019; Views: 1268; Downloads: 123
Full text (1,04 MB) |
7. Na fantomu simulirana meritev in modelna napoved ocene tveganja v primeru klasičnega slikanja abdomna nosečniceJelka Vajsbaher, 2017, master's thesis Abstract: V okviru magistrskega dela smo na fantomu simulirali klasično rentgensko slikanje abdomna ženske, pri čemer smo meritve doz izvedli pri različnih izbirah parametrov slikanj glede na debelino trupa preiskovanke, in podali modelno napoved prejete doze abdomna. Glavni namen magistrskega dela je namreč bil oceniti tveganje, ki bi ga tako klasično rentgensko slikanje v področju abdomna nevede noseče ženske potencialno povzročilo plodu. Pri slikanju abdomna namreč uporaba svinčenih zaščitnih sredstev v področju maternice in jajčnikov ni možna, saj mora biti na rentgenski sliki prikazana celotna trebušna votlina od prepone pa vse do zgornjega roba sramnične zrasti. Osredotočili smo se le na slikanje abdomna AP (antero/posterior) leže, ki je tudi osnovna projekcija za slikanje trebušnih organov. V eksperimentu smo uporabljali fantom iz polimetilmetakrilatnih plošč, ki je služil za simulacijo preiskovank z različnimi telesnimi konstitucijami. Različne širine preiskovank smo simulirali z različnim številom plošč v fantomu, pri čemer smo s termoluminiscenčnimi dozimetri merili vstopno in izstopno dozo. Pri eksperimentu smo uporabili digitalni rentgenski aparat AXIOM MULTIX MT, ki ima nameščen polprevodniški slikovni detektor CANON CXDI-C. Absorbiranih doz v abdomnu nismo samo izmerili, temveč smo jih tudi napovedali z modelom in jih primerjali z izmerjenimi. Ugotovili smo, da model napove zelo primerljive doze, kot so tiste, izmerjene na fantomu, iz česar lahko sklepamo, da je tak model ustrezno orodje za napoved doz pri klasičnem slikanju abdomna noseče ženske. Rezultati modela in meritev tudi pokažejo, da so doze pri tovrstnem slikanju približno desetkrat manjše od tistih, pri katerih korist še odtehta tveganje in ki predstavljajo deterministično tveganje za razvoj ploda. (ICRP, 1987).
Keywords: Rentgensko slikanje, dozimetrija, model, simulacija, fantom, nosečnost
Published in DKUM: 10.04.2017; Views: 2002; Downloads: 239
Full text (1,03 MB) |
8. Meritve osvetljenosti v šolskih prostorihTomo Drevenšek, 2016, undergraduate thesis Abstract: Ustrezna osvetljenost v šolskih prostorih je še posebej pomembna v razredu, saj omogoča učinkovito in produktivno spremljanje in izvajanje pedagoškega procesa. Zagotovitev ustrezne osvetljenosti šolskih prostorov se izvaja v skladu z predpisi iz Pravilnika o zahtevah za zagotavljanje varnosti in zdravja delavcev na delovnih mestih, v katerem so navedene zahteve za ustrezno osvetljenost na delovnem mestu. Pravilnik je sestavljen na osnovi Zakona o varnosti in zdravja pri delu in se sklicuje na uporabo veljavnega standarda SIST EN 12464, 1. in 2. del.
Diplomsko delo se predvsem osredotoča na 1. del standarda, ki govori o osvetljenosti delovnih mest oz. površin v prostorih. Merjenje osvetljenosti delovnih površin in prostorov se izvaja z namenom ugotoviti ali so le-ti osvetljeni v skladu s predpisi, ki zagotavljajo varni in zdravju neškodljivo delovno okolje. Izvajanje in dokumentiranje meritev mora biti kadarkoli preverljivo in ponovljivo. Meritve osvetljenosti se izvajajo na tri načine. Prvi način je merjenje osvetljenosti pot vplivom naravne svetlobe. Drugi način je merjenje kombinirane osvetljenosti, kjer merimo osvetljenost delovnih površin in njihove neposredne okolice pod vplivom umetne in naravne svetlobe. Tretji način je merjenje umetne osvetljenosti, brez vpliva naravne svetlobe. Če delo poteka samo podnevi, si lahko pomagamo z merjenjem umetne osvetljenosti tako, da zastremo okna. Našteti načini merjenja so bili izvedeni v okviru diplomskega dela.
V okviru diplomskem dela so bile izvedene meritve osvetljenosti delovnih mest v šolskih prostorih. Meritve so bile izvedene po predpisanih protokolih. V skladu s protokoli so bile za meritve izbrana naslednja delovna mesta: dve mizi, delovni pult, tabla in cel prostor - laboratorij. Po meritvah je bila izvedena analiza meritev ter primerjava rezultatov s predpisanimi vrednostmi minimalne osvetljenosti delovnih prostorov oz. površin kot jih predpisuje pravilnik, ki se sklicuje na standard SIST EN 12464. Ugotovljeno je bilo, da osvetljenost delovnih površin v fizikalnem laboratoriju, glede na predpise, ki navajajo zahteve za osvetljenost na delovnem mestu, ni ustrezna. V zaključku diplomskega dela so zato podani predlogi za izboljšanje osvetljenosti šolskih prostorov.
Keywords: osvetljenost, osvetljenost v razredu, meritev, analiza meritev, standard SIST EN 12464.
Published in DKUM: 20.09.2016; Views: 3091; Downloads: 337
Full text (906,77 KB) |
9. Delovanje in uporaba elektronskih cevi z dvema in tremi mrežicamiDaniel Krapša, 2016, undergraduate thesis Abstract: V diplomskem delu obravnavamo delovanje in uporabo elektronskih cevi z dvema in tremi mrežicami. Delovanje elektronskih cevi z dvema in tremi mrežicami je podobno delovanju elektronske cevi s samo eno krmilno mrežico, ki se uporabljajo za ojačenje napetosti, kadar so vrednosti anodnih tokov majhne. Tako je osnovna naloga dodatnih mrežic zagotoviti tekoč anodni tok.
Keywords: elektronska cev, tetroda, pentoda, anoda, mrežica, katoda, anodni tok
Published in DKUM: 20.09.2016; Views: 1250; Downloads: 83
Full text (1,07 MB) |
10. Optimizacija produkcije entropije in Shannonove informacijske entropije v encimskih reakcijahAleš Vunjak, 2016, undergraduate thesis Abstract: Odprti reakcijski sistemi med relaksacijo teţijo v neravnovesno stacionarno stanje. Takšni sistemi so v naravi zelo pogosti. Še najbolj znani so biokemijski procesi v bioloških celicah. Za analizo takšnih sistemov se je v zadnjih desetletjih vse bolj uveljavil princip maksimalne produkcije entropije (princip MPE). V tem diplomskem delu s principom MPE raziskujemo encimsko reakcijo kot primer odprtega neravnovesnega sistema v biološki celici. S principom MPE študiramo, ali encimska reakcija v stacionarnem stanju poteka ob pogoju maksimalne produkcije entropije. Optimizacijski postopek produkcije entropije za encimsko reakcijo, ki ga uporabljamo v diplomskem delu, so razvili raziskovalci Oddelka za fiziko na Fakulteti za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru. Optimizacijski postopek omogoča teoretične napovedi optimalnih kinetičnih konstant encima, izkoristka reakcije, toka reakcije in termodinamske sile reakcije v stanju z maksimalno produkcijo entropije. Teoretične napovedi modela primerjamo z eksperimentalnimi podatki izmerjenimi za encim glukoza izomeraza [25, 26]. Tako preverjamo veljavnost principa MPE na primeru encimske kinetike. Za reakcijo smo izračunali tudi Shannonovo informacijsko entropijo, ki je v stacionarnem stanju prav tako maksimalna. Izračunana maksimalna vrednost Shannonove informacijske entropije v stanju z maksimalno produkcijo entropije morda nakazuje, da princip MPE opisuje statistično najbolj verjetna neravnovesna stacionarna stanja v odprtih reakcijskih sistemih.
Keywords: encimska reakcija, maksimalna produkcija entropije, Shannonova informacijska entropija, fizikalno - matematični model, optimizacija, glukoza izomeraza
Published in DKUM: 19.09.2016; Views: 1852; Downloads: 172
Full text (979,06 KB) |
