Wykład 1
Co to jest biofizyka i jakie stawia sobie zadania?
Dziedzina nauk na pograniczu biologii i fizyki, zajmuje się badaniem procesów fizycznych związanych z funkcjonowaniem organizmów żywych, organów, tkanek i komórek. Zajmuje się takimi procesami jak mechanika ruchów czy przemiany energetyczne. Bada struktury cząsteczkowe i procesy fizyczne w komórce. Podejmuje też próby utworzenia uniwersalnych praw biologicznych niezależnych od konkretnej formy życia. Zajmuje się też wpływem czynników fizycznych na organizmy. Zadaniem biofizyki jest specyficzna interpretacja zjawisk życiowych oparta na metodologii wziętej z nauk fizycznych.
Podział biofizyki ze względu na hierarchiczność układów biologicznych.
Biofizyka organizmów, układów, organów, tkanek, komórek, molekularna.
Jakie są cele nauczania biofizyki w medycynie?
Dostrzeganie zjawisk fizycznych w organizmie żywym, oraz uświadamianie sobie, że procesy tam zachodzące można opisać kategoriami fizyki
Znajomość praw i teorii umożliwiających fizyczną interpretację funkcji poszczególnych układów i podukładów w organizmie człowieka
Zrozumienie mechanizmów oddziaływania różnych czynników fizycznych na żywe organizmy a w szczególności na organizm człowieka
Znajomość metod badania struktur molekularnych makrocząsteczkowych, komórek, tkanek i narządów, oraz procesów fizycznych zachodzących w układach biologicznych
Znajomość podstaw fizycznych najnowszych metod obrazowania komórek, tkanek, narządów oraz technik terapeutycznych
Co to znaczy, że promieniowanie ma naturę falowo-korpuskularną? Jakie zjawiska dadzą się wytłumaczyć na gruncie falowej natury światła, a jakie na gruncie natury korpuskularnej?
Oznacz to, że niektóre jego cechy można przedstawić jedynie na podłożu teorii kwantów (należy tu emisja, absorpcja promieniowania, zjawisko fotoelektryczne), a inne jedynie na podłożu teorii falowej (polaryzacja, dyfrakcja czy interferencja).
Podaj przykład zjawiska tłumaczonego falową naturą materii?
Zjawisko dyfrakcji elektronów, które potwierdziło koncepcję de Broglie'a, później odkryto również dyfrakcję neutronów czy jonów wodoru.
Co to jest fala de Broglie'a?
Fala materii, konkretnie elektronów, de Broglie stworzył teorię, że nie tylko światło ma naturę korpuskularno - falową, a również materia. Swoją tworię rozwinął, za co w 1929 roku dostał Nagrodę Nobla. Ruch tej fali opisuje ruch dowolnej cząsteczki o pędzie p=mV; długość fali (lambda)=h/mV
Podaj zasadę nieoznaczoności Heisenberga.
Nie istnieje możliwość jednoczesnego z dowolną dokładnością określenia pędu i położenia cząsteczki. Delta x * delta p >-h, co oznacza, że im dokładniej poznamy położenie cząsteczki, czyli im delta x jest mniejsze tym mniej dokładnie poznamy pęd - tym większa delta p
Podaj fizyczne znaczenie kwadratu modułu funkcji falowej w równaniu Schrödingera.
W ilu stanach elektronowych może znajdować się elektron o głównej liczbie kwantowej n=2. Podaj te stany.
6
n=2; l=1; m=-1; ms= ½
n=2; l=1; m=-1; ms=- ½
n=2; l=1; m=0; ms= ½
n=2; l=1; m=0; ms= - ½
n=2; l=1; m=1; ms= ½
n=2; l=1; m=1; ms= - ½
n=2; l=0; m=0; ms= ½
n=2; l=0; m=0; ms= - 1/2
Od czego zależy energia poziomu w przypadku atomu wodoru, a od czego w przypadku atomów wieloelekronowych.
W przypadku atomów wieloelektronowych energia poziomu zależy od głównej liczby kwanowej n, ale też od pobocznej liczby kwantowej l. w przypadku atomu wodoru energia poziomu zależy jedynie od główniej liczby kwantowej.
Co to jest orbital wiążący a co antywiążący?
Orbital wiążący - oznacza że prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w tym miejscu jest znacznie większe niż w jakimkolwiek innym miejscu w przestrzeni, łączny ujemny ładunek zawarty pomiędzy dodatnio naładowanymi jądrami wiąże je siłami elektrycznymi. Objętość orbitalu wiążącego jest większa od objętości orbitali atomowych.
Orbital antywiążący - oznacza że prawdopodobieństwo znalezienia elektronu pomiędzy jądrami jest tak mała, że nie jest ona w stanie związać atomów w cząsteczkę.
Czym się różni wiązanie σ (sigma) od wiązania π (pi)?
Wiązanie sigma powstaje podczas nakładania się czołowego orbitali typu s -s; s-p; p-p, lub orbitali zhybrydyzowanych sp3, sp2 i sp. Wiązanie ma charakter kierunkowy.
Wiązanie pi powstaje gdy nakładają się dwa orbitale typu p-p ustawione poprzecznie do siebie (nakładanie boczne). Stanowią one słabsze elementy wiązań wielokrotnych.
Wykład 2
Jaki charakter mają oddziaływania van der Waalsa i jak się dzielą?.
Oddziaływania van der Waalsa zaliczane są do oddziaływań międzycząsteczkowych niespecyficznych, czyli uniwersalnych. Między atomami występują siły przyciągania i odpychania, zmieniające się wraz ze zmianą odległości między atomami.
Wyróżniamy oddziaływania dipolowe dipol trwały - dipol trwały (siły Keesoma); oddziaływania dipolowe dipol trwały - dipol indukowany (siły Debye'a); oddziaływania dypersyjne (siły Londona).
Co to jest trwały moment dipolowy? Jaka jest jego miara (wzór)?
Jest to pernamentna separacja ładunku. Jest wielkością wektorową, jego miarą jest iloczyn ładunku i odległości. Mi=q*l
Towarzyszy cząsteczkom o nierównomiernym rozłożeniu ładunków.Wyraża się w debajach (1debaj = 1Culomb*1metr)
Wyjaśnij istotę sił dyspersyjnych Londona i podaj przykład ich działania.
Rodzaj sił międzycząsteczkowych van der Vaalsa, występujące między cząsteczkami każdego rodzaju. Są bardzo słabe i mają duże znaczenie w związkach niepolarnych nie posiadających trwałego momentu dipolowego. W czasteczkach trwałych chwilowe fluktuacje ładunków wokół jądra powoduje ze co jakiś czas ładunki znajdują się po jednej stronie jądra, sprzyja powstawaniu chwilowych, małych momentów dipolowych, które mogą indukować chwilowy moment dipolowy w innych cząsteczkach generując chwilowe siły przyciągania. Występują np. w przypadku gazów szlachetnych, gaz szlachetny można skroplić, co dowodzi że występują nawet małe oddziaływania.
Podaj trzy przykłady działania wiązania wodorowego.
Utrzymują podwójną helisę DNA - wiązanie pomiędzy zasadami azotowymi A-T potrójne, C-G podwójne - odpowiadają za powielanie informacji genetycznej.
Występują w wodzie między wolną parą elekronową na tlenie a a atomem wodoru powodując jej wysoką temperaturę wrzenia.
Występują np. w kerlatanie powodując jego niezwykłą wytrzymałość mechaniczną - jest 5 razy mocniejszy niż stal, z niego robi się kamizelki kuloodporne i hełmy.
Co to jest oddziaływanie typu charge transfer?
Oddziaływanie związane z przeniesieniem ładunku z jednej cząsteczki na drugą, cząsteczka dostarczające to donor, a przyjmująca to akceptor.W przypadku oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych to wiązanie koordynacyjne.
Podaj prawo Bernoullego.
p+pv2/2+pgh=const
p- ciśnienie statyczne
pv2/2 - ciśnienie dynamiczne
pgh - ciśnienie hydrodynamiczne
Co to jest lepkość? Podaj wzór na współczynnik lepkości.
Lepkość jest miarą tarcia wewnętrznego
F/S=mi * deltaV/deltax
Co to jest krzywa płynięcia?
Zależność naprężeń od gradientu prędkości przedstawiona na wykresie.
Narysuj krzywe płynięcia cieczy newtonowskiej i cieczy pseudoplastycznej.
Ciecze newonowskie dla których prędkość ścinania jest w szerokich granicach proporcjonalna do naprężenia ścinającego. Wykres to linia prosta przechodząca przez środek układu współrzędnych.
Ciecze nienewtonowskie które oprócz właściwości lepkich charakteryzują właściwości sprężyste, krzywe zwykle nie są prostoliniowe, i często nie przechodzą przez środek układu współrzędnych.
Krew jest cieczą pseudoplastyczną, czyli taką, która przy zwiększeniu szybkości ścinania ma coraz mniejszą lepkość.
Podaj zmodyfikowane o kąt zwilżania θ równanie Laplace'a-Younga opisujące efekty kapilarne. Narysuj i wytłumacz dwa przypadki: wzniesienia kapilarnego dla kąta zwilżania 0o<θ<90o (A) oraz obniżenia kapilarnego dla kąta zwilżania 90o<θ<180o (B)
Zwilżalność jest właściwością międzyfazowej granicy ciecz/ciało stałe i jest charakteryzowana przez kąt zwilżania, czyli kąt jaki tworzy styczna do powierzchni kropli wody z powierzchnią podłoża tej kropli, prostopadłą do kierunku działania siły ciężkości.
Jakie znasz szczególne właściwości fizyczne wody?
Wysoka temperatura topnienia i wrzenia
Wysokie ciepło właściwe
Wysoka wartość ciepła topnienia i parowania
Wysoka wartość napięcia powierzchniowego
Duża wartość przenikalności dielektrycznej
Zależność gęstości od temperatury - max przy 4oC, gęstość wody większa od gęstości lodu.
Omów pokrótce strukturalny model Némethy-Scheraga ciekłej wody.
Woda składa się z obszarów, w których cząsteczki połączone są wiązaniami wodorowymi (klastry) oraz obszarów cząsteczek niepołączonych. Model dobrze tłumaczy zmiany gęstości z temperaturą i różnice w gęstości wody i lodu.
Wykład 3
Jaka jest różnica między fenomenologicznym a statystycznym podejściem do termodynamiki?
Zasady termodynamiki fenomenologicznym zajmują się badaniem układów makroskopowych bez wnikania w ich strukturę mikroskopową. Za to podejście statystyczne zajmuje się związaniem procesów makroskopowych z ich strukturą mikroskopową.
Wymień i scharakteryzuj rodzaje układów termodynamicznych w zależności od właściwości brzegu.
Układ izolowany - bez wymiany i energii i materii.
Układ zamknięty - bez wymiany materii możliwa wymiana energii
Układ otwarty - możliwa wymiana energii i materii
Czym się różnią intensywne parametry termodynamiczne od parametrów ekstensywnych? Wymień po trzy w każdej grupie.
Parametry intensywne - nie zależą od rozmiaru układu, a ich wartości nie są addytywne. Są to temperatura, ciśnienie, entalpia molowa.
Parametry extensywne - zależą od rozmiaru układu a ich wartości są addytywne. Należą tu masa, objętość, energia wewnętrzna, entropia układu.
Parametry ekstensywne zmieniają się w intensywne po przeliczeniu na jednostkę substancji.
Na czym polega różnica pomiędzy procesami odwracalnymi i nieodwracalnymi?
Proces odwracalny - proces, który w każdej chwili może zachodzić zarówno w jedną, jak i drugą stronę. Wracające do stanu wyjściowego nie pozostawia zmian w środowisku.
Proces nieodwracalny - po przejściu w jedną stronę, przejście w drugą jest niemożliwe, albo możliwe tylko po zmianie w otoczeniu.
Podaj definicję energii wewnętrznej układu.
Suma wszystkich energii tego układu, energii kinetycznej i energii potencjalnej. Nie da się zmierzyć absolutnej wartości energii wewnętrznej układu, można ją policzyć jedynie teoretycznie, można za to zmierzyć jej zmianę dla poszczególnych procesów termodynamicznych.
Podaj i zdefiniuj podstawową jednostkę energii w układzie SI? Podaj trzy inne jednostki energii.
Podstawową jednostką energii w układzie SI jest dżul (1J) Odpowiada on pracy wykonanej przez siłę równą 1N na odc 1m. Inne jednostki - kaloria (cal); erg (erg); elektronovolt (eV).
Sformułuj pierwsza zasadę termodynamiki.
We wszystkich procesach zachodzących w układach izolowanych energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona.
Czym są praca i ciepło?
Ciepło i praca są sposobem przekazania energii. Ciepło jest sposobem przekazania energii przez chaotyczne ruchy termiczne w skali mikroskopowej.
Praca jest sposobem przekazania energii poprzez uporządkowany ruch w skali mikroskopowej lub makroskopowej.
Ich miarą jest dżul, kaloria, erg, elektronovolt.
Podaj prawo Hessa i zilustruj je reakcjami spalania węgla.
Ciepło (czyli zmiana entalpii lub energii wewnętrznej) reakcji nie zależy od sposobu jej prowadzenia, a tylko od stanu początkowego i końcowego reagentów.
C + ½ O2 CO -108,86kJ/mol
CO + ½ O2 CO2 -284,7 kJ/mol
C +O2 CO2 -393,56kJ/mol
Omów specyfikę układów biologicznych w kontekście I zasady.
Otwartość - ma miejsce wymiana energii i masy pomiędzy układem i otoczeniem, np. w niektórych procesach wydziela się energia, a inne wymagają dostarczenia energii.
Niejednorodność - układ składa się z wielu części, można wyróżnić fazy i granice fazowe na różnych poziomach organizacji.
Wieloskładnikowość - molekuły składników różnią się typem, wielkością, kształtem, właściwościami, funkcją.
Nieciągłość - rozkład molekuł zmienia się skokowo na granicach fazowych np. na powierzchniach cytoplazmatycznych błon komórkowych, na powierzchniach kanałów wewnątrz tych błon, na powierzchniach odgraniczających narządy.
W procesach biologicznych, co nazywamy pracą zewnętrzną a co pracą wewnętrzną?
Praca zewnętrzna We - jest pracą wykonaną przez organizm na otoczeniu i jest równa pracy wykonanej wysiłkiem mięśniowym
Praca wewnętrzna Wi - potrzebna do podtrzymania wszystkich funkcji życiowych, tworzą ją takie jak praca związana z transportem, z krążeniem, z oddychaniem, z trawieniem. Wiąże się z pokonywaniem oporów i w efekcie końcowym jest zamieniana na ciepło zwane ciepłem metabolizmu Qm
Delta H = We+ Qm
Co to jest podstawowa prędkość metabolizmu?
Najmniejsza moc jakiej organizm potrzebuje by utrzymać procesy życiowe, będąc w całkowitym spoczynku łącznie ze spoczynkową czynnością wszystkich narządów i komórek.
Wykład 4
Podaj fenomenologiczną interpretację entropii dla procesów odwracalnych i nieodwracalnych.
Dla procesów odwracalnych - dodanie do układu energii zwiększa nieporządek w układzie, a entropia będąca miarą tego nieporządku rośnie. W im wyższej temperaturze ma to miejsce, tym wzrost entropii mniejszy.
Dla procesów nieodwracalnych - zmiana entropii jest sumą zmian wynikających z wymiany ciepła z otoczeniem deltaSe oraz zmian wynikających z nieodwracalności procesu deltaSi. DeltaS=deltaSe+deltaSi
Dla układu izolowanego, jaka jest zmiana entropii w procesach odwracalnych, a jaka w procesach nieodwracalnych?
Dla układu izolowanego Qe=0;
Proces odwracalny: deltaS=deltaSi=0, S=const
Proces nieodwracalny: deltaS=deltaSi>0 deltaS=S2-S1
deltaS>/0
Co to jest stan stacjonarny?
Przypadek kiedy deltaSe=-deltaSi, wtedy deltaS=0, S=const.
Podaj dwa przykłady rozpraszania energii.
Gorące żelazko stygnie na powietrzu, atomy metalu w wysokiej temperaturze drżą, przez zderzenie z cząsteczką powietrza oddają energię, wtedy energia cząsteczek powietrza wzrasta, a metalu maleje.
Woda spontanicznie spada w dół wodospadu - na początki energia potencjalna jest wysoka, energia kinetyczna niewielka. Po przekroczeniu progu Ep maleje a Ek rośnie. Na końcu energia jest rozpraszana w postaci kropelek wody w mgle, część na kruszenie skał na dnie rzeki, a część w postaci ciepła.
Podpalone drewno płonie w kontakcie z tlenem. Energia potencjalna wiązań chemicznych rozpraszana na wzrost energii kinetycznej cząsteczek i gazu oraz emisję światła..
Do czego służą bariery aktywacyjne?
Jest to energia jaką należy włożyć aby zainicjować reakcję. Poniżej tej energii reakcja nie zachodzi.
Co to są enzymy i jaki jest ich związek z aktywacją reakcji?
Enzymy inaczej katalizatory są to czynniki które obniżają barierę aktywacji. W większości przypadków przyśpieszają one zajście reakcji, a w niektórych powodują zajście tej rakcji.
Sformułuj drugą zasadę termodynamiki.
W układach otwartych i procesach rzeczywistych całkowita entropia zawsze wzrasta.
W układach izolowanych zachodzą tylko te procesy w których entropia rośnie.
Dlaczego reakcja fotosyntezy nie stanowi zaprzeczenia drugiej zasady termodynamiki?
Pozornie fotosynteza stanowi zaprzeczenie drugiej zasadzie termodynamiki, liście w których zachodzi reakcja nie są jednak układem izolowanym. Wydajność fotosyntezy wyosi około 30 % i ta część energii przyczynia się do spadku entropii. Reszta energii jest rozproszona (np. na wzrost temperatury liścia), przez co sumarycznie zmiana entropii pozostaje dodatnia - układ wraz z otoczeniem charakteryzuje wzrost entropii.
Podaj wzór Bolzmanna na statystyczną interpretację entropii. Co to jest prawdopodobieństwo termodynamiczne i jak się ono ma do prawdopodobieństwa matematycznego?
Wzór Bolzmanna:
S=k*lnW
k- stała Bolzmanna = R/Na=1,380622*10-23J/K
Prawdopodobieństwo termodynamiczne - W - oznacza liczbę możliwych struktur (stanów) mikroskopowych układu realizujących ten sam stan makroskopowy tego układu. Jest ono wprost proporcjonalne do prawdopodobieństwa matematycznego P.
Jakie są źródła obniżenia entropii całej biosfery, a jakie obniżenia entropii pojedynczego organizmu?
Pojedynczy organizm usuwa zbędne produkty przemiany materii, co powoduje obniżenie entropii, jeżeli zbędne produkty przemiany materii nie są usuwane powoduje to wzrost entropii organizmu i dojście do stanu równowagi statycznej co oznacza śmierć.
Źródłem obniżenia entropii w biosferze jest różnica pomiędzy temperaturą absorpcji promieniowania a temperaturą jego emisji. Fotony emitowane mają większą długość fali niż absorbowane przez biosferę.
Co to jest demon Maxwella?
Skąd się bierze we Wszechświecie entropia negatywna?
Ujemna entropia = negentropia
Wykład 5
Co to jest potencjał chemiczny?
Współczynnik proporcjonalności zmiany entalpi swobodnej tej substancji do zmiany liczby moli tej substancji.
Odgrywa kluczową rolę przy ocenie stanu układu pod względem możliwości wystąpienia w nim transportu materii. Jeżeli w układzie istnieją róźnice potencjałów chemicznych wtedy zachodzą procesy fizyczne lub chemiczne związane z transportem substancji, zmieniające stan układu. Jest wielkością intensywną, nie zależną od masy, jego jednostką jest J/mol. Jego pojęcie pozwala przedstawić zmiany energii i entalpii swobodnej układu otwartego, określić samorzutność procesu lub równowagę reakcji chemicznej, zdefiniować pojęcie roztworu doskonałego i idealnego rozpuszczonego.
Potencjał substancji czystej jest równy entalpi swobodnej. Dla gazu zależy od ciśnienia gazu, a dla roztworu od aktywności substancji. Jeżeli w układzie nie zachodzą przemiany fazowe, T=const, p=const to oznacza że potencjał chemiczny dla każdego składnika układu we wszystkich fazach jest takie samo.
Co nazywamy dyfuzją a co osmozą?
Dyfuzja - jeżeli w roztworze są miejsca o różnych stężeniach, to mają one różne potencjały chemiczne, miejsce ma transport substancji z miejsca o większym potencjale chemicznym do miejsca o niższym potencjale chemicznym, a więc od stężenia wyższego do niższego.
Osmoza - kiedy dwa roztwory o różnych potencjałach chemicznych są oddzielone błoną półprzepuszczalną, która nie przepuszcza substancji rozpuszczonej, a przepuszcza rozpuszczalnik. Zachodzi wtedy transport rozpuszczalnika w stronę stężenia mniejszego.
Podaj prawo Ficka.
dn/dt=-DSdc/dc
dc/dx - gradient stężenia
dn - liczba moli
dt - czas
S - powierzchnia
D - współczynnik dyfuzji zależny od substancji i temperatury
Szybkość dyfuzji, wyrażająca się liczbą moli dn, przepływającą w jednostce czasu dt, przez określoną powierzchnię - prawo Ficka.
Podaj wzór na transport dyfuzyjny przez błony biologiczne.
dn/dt=PS(c1-c2)
P - przepuszczalność błony dla danej substancji
C1,c2 - stężenia
Skąd się bierze ciśnienie osmotyczne?
Ciśnienie osmotyczne (pi) to ciśnienie, które równoważy wzrost ciśnienia spowodowany transportem osmotycznym.
Przyczyną jego powstania jest różnica stężeń związków chemicznych lub jonów w roztworach po obu stronach membrany i dążenie układu do ich wyrównania. Kontaktujące się roztwory mają termodynamiczną tendencję do wyrównywania stężeń. W przypadku membrany jedynym sposobem jest transport rozpuszczalnika.
Co to jest ogniwo stężeniowe? Podaj wzór Nernsta.
Elektroda wykonana z metalu zanurzona w roztworze tego samego metalu. Ogniwo stężeniowe powstaje, gdy połączymy dwie takie elektrody zanurzone w roztworach o różnych stężeniach.
E=(RT/nF)ln([Mnn+]1/[Mnn+]2)
Jaka jest różnica pomiędzy transportem biernym i aktywnym?
W przypadku transportu biernego, zachodzi on w zgodzie z bodźcami termodynamicznymi (różnica potencjałów chemicznych, ciśnień osmotycznych, czy potencjałów elektrycznych). Entropia rośnie, bodźce zanikają i ustala się stan równowagi.
Transport aktywny zachodzi wbrew istniejącym bodźcom, entropia wtedy spada. Zachodzi on z dostarczeniem energii.
Jak są zbudowane lipidy i w jaki sposób ich budowa determinuje właściwości błony komórkowej?
Lipidy to pochodne glicerolu w których dwie grupy hydroksylowe zastąpione są hydrofobowymi resztami kwasów tłuszczowych, trzecia grupa hydroksylowa zastąpiona resztą kwasu fosforowego.Są związkami amfifilowymi, czyli posiadają jeden koniec hydrofobowy a drugi hydrofilowy. Dzięki właściwościom amfifilowym fosfolipidy w roztworze wodnym tworzą dwuwarstwę lipidową, czyli końce hydrofilowe są skierowane do zewnątrz, a hydrofobowe skierowane ku sobie. Pojedyńcza cząsteczka fosfolipidu ma dużą zdolność ruchu, co tworzy z błony półpłynną mozaikę. Taki układ fosfolipidów tworzy też matrycę do umieszczenia w niej białek.
Opisz budowę błony komórkowej.
Błona komórkowa zbudowana w 40% z białek, a w 60% z lipidów. Lipidy tworzą ze względu na swoje amfifilowe właściwości dwuwarstwę lipidową, która zapewnia półpłynną mozaikę (dynamiczną strukturę). W lipidach zanurzone są białka, które dzielą się na białka powierzchowne czyli peryferyjne i transbłonowe, które są odpowiedzialne za transport przez błonę.
Podaj i opisz krótko znane ci rodzaje transportu biernego.
Dyfuzja - przez błonę o przepuszczalności P zgodnie z prawem Ficka. Dyfuzyjnie przez błonę przechodzą małe apolarne cząsteczki O2, CO2, N2, benzen; małe nienaładowane cząsteczki polarne H2O, mocznik, gliceryna; duże nienaładowane cząsteczki polarne glukoza, sacharoza.
Transport ułatwiony przez kanał jonowy - pory utworzone przez wyspecjalizowane białka. Transportowane są jony np. Na+, Cl-, K+ zgodnie z gradientem stężeń.
Podaj zwięzły opis dwóch rodzajów transportu aktywnego.
Wymaga nakładu energii i wyspecjalizowanych struktur białkowych. Są dwa rodzaje, pierwszego rodzaju jako źródło energii wykorzystuje ATP, transport aktywny drugiego rodzaju wykorzystuje energię biernego transportu jonów.
Transport pierwszego rodzaju - za pomocą białek transportowych - związanie transportowanej substancji przez białko transportowe powoduje taką zmianę konformacji białka, że przenosi cząsteczkę transportowaną na drugą stronę błony.
Co to jest ATP? Jaka jest jego funkcja w procesach biochemicznych i jak jest ona realizowana?
ATP - adenozynotrifosforan, tanowi uniwersalny akumulator energii w procesach biologicznych, źródłem energii jest hydroliza wiązania pomiędzy adenozyną , a resztami fosforowymi. Są dwa wysokoenergetyczne, których rozerwanie powoduje wydzielenie energii.
Opisz działanie pompy sodowo-potasowej.
Pompa sodowo-potasowa pompuje Na+ na zewnątrz komórki gdzie ich stężenie jest duże, a K+ do wewnątrz, gdzie ich stężenie jest duże. Białkiem transportującym jest aktywowana jonami Na+ i K+ adenozynotrifosfataza. Transport odbywa się przy udziale ATP, które dostarcza energii do transportu jonów wbrew gradientowi stężeń. Pompa utrzymuje duże stężenie jonów K+ wewnątrz komórki, i Na+ na zewnątrz, co sprzyja utrzymaniu potencjału spoczynkowego.
Skąd się bierze potencjał błonowy?
Jest wynikiem różnic stężenia poszczególnych jonów po obu stronach błony. Największy wpływ mają jony K+, które najłatwiej przechodzą przez błonę komórkową, ale też jony Na+ i Cl-. Potencjał błonowy w stanie niepobudzonym nazwany jest potencjałem spoczynkowym i wewnętrz błony jest ujemny, i wynosi od -100 do -40mV. Jego zmiana inicjowana jest przez otwarcie kanału jonowego.
Wykład 6
Co to jest potencjał spoczynkowy a co czynnościowy?
Potencjał spoczynkowy - utrzymywany przez różnicę jonów po różnych stronach błony. Jest on dla błony niepobudzonej, ujemny dla wnętrza komórki, mieści się w granicach od -100 do -40mV.
Potencjał czynnościowy - gdy błona otrzyma bodziec, i dojdzie do depolaryzacji błony. Generowany jest we wzgórku aksonu. Składa się z kilku faz - faza depolaryzacji-wzrost potencjału błonowego, repolaryzacji-powolny spadek potencjału błony i hiperpolaryzacji- spadku potencjału błony poniżej potencjału spoczynkowego. Wzrost przepływu jonów Na+, następnie K+ aż ostatecznie dochodzi do zatrzymania przepływu.
Jaką rolę w powstaniu potencjału czynnościowego odgrywają jony sodu a jaką jony potasu?
Za wywołanie depolaryzacji odpowiadają jony sodowe, które gwałtownie napływają do wnętrza komórki, wtedy otwierają się kanały dla jonów. Za fazę repolaryzacji odpowiadają jony potasu, które zgodnie z gradientem stężeń wypływają z komórki przej jony.
Podaj funkcje komórek glejowych.
Udział w syntezie neuroprzekaźników, biorą udział w procesach związanych z wydzielaniem i wychwytywaniem neuroprzekaźników, tworzą osłonki mielinowe aksonów, uczestniczą w procesach odżywiania neuronów, funkcje obronne.
Z jakich głównych elementów składa się neuron i jakie są ich funkcje?
Jądro - procesy kluczowe
Dendryt - wypustka neuronu, jest ich wiele i prowadzą impulsy do ciała komórki.
Akson - jeden, wypustka prowadząca impuls od ciała komórki.
Wzgórek aksonu - miejsce wysłania impulsu nerwowego
Osłonka mielinowa - warstwa lipidowa, przyśpieszająca przewodzenie impulsu.
Przewężenie Ranviera - miejsce na aksonie bez osłonki mielinowej.
Synapsa - przekazuje impuls z komórki do komórki.
Na czym polega przekazywanie informacji w układzie nerwowym?
Przemieszczaniu się impulsu potencjału czynnościowego wzdłuż neuronu i przekazaniu tego sygnału z neuronu na neuron za pomocą połączenia synaptycznego.
Co to jest okres refrakcji bezwzględnej a co refrakcji względnej?
Refrakcja bezwzględna - czas w którym nie jest możliwe nadanie kolejnego potencjału czynnościowego.
Refrakcja względna - w tym czasie wywołanie kolejnego potencjału czynnościowego jest możliwe przy wyższym progu pobudliwości.
Dlaczego maksymalna częstotliwość impulsów we włóknach nerwowych ograniczona jest do 1000 Hz?
Okres refrakcji bezwzględnej wynosi 1ms, więc częstotliwość nie może być większa niż 1000Hz bo 1/0,001s=1000Hz.
Opisz przemieszczenie się impulsu na synapsie chemicznej.
Opisz proces sumowania w przestrzeni.
Na każdym z dendrytów jest wiele synaps, każda synapsa to wejście informacyjne. Do wzgórka aksonu dociera impuls z wielu synaps, taki zsumowany impuls jest silniejszy niż impuls z pojedynczej synapsy. Potencjał we wzgórku jest sumą ważoną poszczególnych sygnałów, max częstotliwości 1000Hz.
Opisz proces sumowania w czasie.
W większości synaps pojedynczy impuls nie powoduje wywołania potencjału czynnościowego, dopiero impuls powtarzany odpowiednio często powoduje wywołanie potencjału czynnościowego.
Podaj właściwości neuronu elementarnego.
Liczne wejścia i tylko jedno wyjście, przekazywanie informacji jest jednokierunkowe
Wejścia mogą być hamujące i pobudzające
Wykazując elementarną aktywność impulsową na poziomie generowanych częstotliwości zarówno wejścia jak i wyjścia mają charakter analogowy
Poszczególne wejścia charakteryzują się różnymi wagami
Częstotliwość na wyjściu jest nieliniową funkcją sumy ważonej wejść
Wyjście staje się aktywne po przekroczeniu wartości progowej, a odpowiedź pojawia się z opóźnieniem.
Co to są neuronowe sieci zorganizowane?
Są to grupy połączonych ze sobą neuronów, które współpracują ze sobą w przekazywaniu i przetwarzaniu informacji.
Co to jest przekształcenie nieliniowe i jakie ma funkcje?
Wykład 7
Budowa mięśnia szkieletowego.
Zbudowany włókien mięśniowych (pojedyncza komórka), włókno ma kształt cylindryczny, wiele jąder, dobrze rozbudowaną siateczkę śródplazmatyczną i mitochondria. Włókno wypełnione jest włókienkami zbudowanymi z miozyny i aktyny. Włókienka składają się z sarkomerów - podstawowych podjednostek kurczliwych mięśnia, rozciągających się pomiędzy prążkami Z, między nimi znajdują się prążki I i prążki A. Wewnątrz prążka A znajduje się prążek H i M. Każde włókno pokryte jest śródmięsną, grupa włókien okryta jest omięsną, a cały mięsień namięsną.
Co to jest sarkomer i jak jest zbudowany?
Zbudowany z miozyny, aktyny i kilku białek dadatkowych. Ograniczony jest przez prążki Z między którymi znajdują się prążęk A i prążek I, wewnątrz prążka A znajduje się jeszcze dodatkowy prążek H i M. Aktyna i miozyna ułożone są w sposób, że jedna cząsteczka miozyny (filamentu grubego) otoczona jest sześcioma cząsteczkami aktyny (filamenty cienkie). Białka kurczliwe zaczepione są w prążku granicznym Z. Miozyna składa się z części podłużnej w kształce podwójnej spirali z dwugłowym zgrubieniem globularnym. Głowy miozyny tworzą -połączenie mizyna-aktyna, a poza tym posiadają miejsca umożliwiające związanie ATP. Aktyna ma postać fibrylarną, w którą wpleciona jest tropomiozyna-troponina. Troponina C wiąże jony wapnia,
Podać główne elementy ślizgowej teorii skurczu.
Po wzroście ilości jonów w sarkoplazmie następuje związanie miozyny z aktyna, to połączenie powoduje zwiększenie hydrolizy ATP w komórce mięśniowej, wyzwolenie energii z wysokoenergetycznych wiązań w ATP powoduje zmianę konformacji główek miozyny, przez co filamenty przesuwają się względem siebie, bez skracania filamentów skraca się sarkomer. Następnie mostek jest zrywany i wszystko wraca do stanu wyjściowego.
Co utrzymuje gradient stężeń jonów wapnia pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a wewnętrznym komórki mięśniowej?
Do skurczu potrzeba jonów Ca2+, których rezerwuarem jest przestrzeń zewnątrzkomórkowa, i siateczka śródplazmatyczna. Niski poziom jonów Ca2+ w sarkoplazmie utrzymywany jest przez sarkolemme i pompy aktywnie tranportujące jony Ca2+ przez np. pompy Na+/Ca2+.
Jaka jest rola jonów wapnia w powstawaniu kompleksu miozyny z aktyną?
Jony Ca2+ dostają się do sarkoplazmmy przy udziale kanalików T po depolaryzacji sarkolemmy. Jony wiążą się z kompleksem tropomiozyna-troponina wplecionym w filament cienki, przez co kompleks ten odsłąnia miejsce wiązania główki miozyny i może dojść do skurczu. Po skurczu pompa Na+/Ca2+ aktywnie transportuje jony i przywraca stan wyjściowy.
Co to są i do czego służą tubule poprzeczne T?
Tubule poprzeczne T tzw triady w mięśniu szkieletoeym utworzone są przez błonę komórkową i fragment siateczki śródplazmatycznej. Szybko przenoszą one falę depolaryzacji i zapewniają dobre rozprzestrzenienie się tej fali. Ułatwiają wnikanie Ca2+ do sarkoplazmy, przez co czynią skurcz szybkim i wydajnym.
Podaj specyfikę mięśnia sercowego.
Jest mięśniem poprzecznie prążkowanym
Sygnałem do skurczu jest sygnał nie z ukłądu nerwowego, a z wyspecjalizowanego układu bodźco-przewodzącego.
System połączeń szczelinowych między komórkami zapewnia szybkie przenoszenie fali depolaryzacji.
Dopływ jonów z udziałem połączeń szczelinowych, najpierw z zewnątrz, póżniej z siateczki śródplazmatycznej.
Potencjał czynnościowy charakteryzuje wyraźne plateau spowodowane przedłużonym wydzielamoe, jonów Ca2+.
Co to jest sprzężenie elektromechaniczne i jak działa?
Jeden z mechanizmów skurczu mięśnia gładkiego.
Kanały wapniowe są zależne od napięcia depolaryzacja sarokolemy przez impuls elektryczny przekazany z innej komórki powoduje otwarcie kanałów wapniowych przez które przechodzą jony Ca2+ . Wzrost stężenia jonów w cytoplazmie aktywuje skurcz każej komórki.
Jakie są podobieństwa pomiędzy wszystkimi rodzajami komórek mięśniowych?
Zbudowany ze z miofilamentów system białek kurczliwych - aktyna i hydrolizująca ATP miozyna.
Sarkolema jest strukturą pobudliwą
Skurcz aktywowany jest wrostem stężenia jonów Ca2+ w sarkoplazmie
Jakie są różnice pomiędzy komórkami mięśnia gładkiego a komórkami mięśnia poprzecznie prążkowanego?
Różnice w aktywacji białek kurczliwych w mięśniach gładkich i mięśniach prążkowanych.
Co to jest reologia i jak się buduje modele reologiczne?
Reologia zajmuje się deformacją i płynięciem ciał.Wszystkie ciała rzeczywiste można modelować nadając im właściwości lepkie i sprężyste. Właściwości sprężyste są obrazowane jako sprężyna, a lepkie jako dławik z cieczą o lepkości mi.
Przedstaw model reologiczny Maxwella.
Model Maxwella to szeregowe połączenie sprężyny i dławika. Zgodnie z modelem Maxwella zachowują się mięśnie gładkie.
Wykład 8
Co to są ultradźwięki?
Fale mechaniczne o charakterze fal dźwiękowych i częstotliwości większej od progu słyszalności ucha ludzkiego, umownie od częstotliwości 16kHz.Częstotliwość fali ultradźwiękowej jest stała i zależy od parametrów przetwornika piezoelektrycznego. Prędkość rozprzestrzeniania zależy od ośrodka. Długość fali również zależy od ośrodka. Fala ultradźwięku ulega załamaniu, odbiciu, ugięciu, rozproszeniu i absorpcji, udział tych zjawisk zależy od rodzaju tkanki, częstotliwościu ultradżwięków, stosunku długości fali do rozmiarów, kąta padania.
Omów zjawisko piezoelektryczne oraz odwrotne zjawisko piezoelektryczne.
Zjawisko piezoelektryczne - polega na wytwarzaniu proporcjonalnego do siły napięcia podczas ściskania lub rozciągania niektórych kryształów. Kryształy kwarcu i tytanianu baru.
Odwrotne zjawisko piezoelektryczne - polega na rozszerzaniu się lub kurczeniu kryształu pod wpływem potencjału elektrycznego.
Pod wpływem zmiennego pola elektrycznego kryształy drgają.
Na czym polega metoda echa w ultrasonografii?
Głowica ultradźwiękowa emituje falę i jednocześnie pełni funkcję detektora. Po napotkaniu przeszkody w postaci tkanki, część energii ulega odbiciu, a część idzie dalej. Odbicia od kolejnych granic powracają w określonej sekwencji czasu. Mierząc odstęp czasu pomiędzy emisją a detekcją można określić położenie danej struktury.
Jakie znasz sposoby prezentacji obrazu ultradźwiękowego w metodzie echa?
Prezentacja typu A (amplitude mode)
Prezentacja typu B (brightness mode)
Prezenracja typu 2D (dwuwymiarowa)
Prezentacja typu 2D real time (dwuwymiarowa w czasie rzeczywistym)
Prezentacja typu 3D
Prezentacja typu 4D (trójwymiarowa w czasie rzeczywistym
Prezentacja typu M (motion mode)
Omów pokrótce prezentację typu A (amplitude mode) oraz prezentację typu B (brightness mode).
Prezentacja typu A - amplitude mode - zbiór pików o wysokościach proporcjonalnych do natężenia fal odbitych. Położenie piku oraz głębokość.
Prezentacja typu B - zbior plamek o jasności proporcjonalnych do natężenia fal odbitych. Położenie plamki obrazuje głębokość.
Na czym polega efekt Dopplera? Podaj wzór.
Efekt Dopplera polega na powstawaniu różnicy w częstotliwości fali wysyłanej przez źródło oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła.
F=f0[v/(v-vzr)]
W ultrasonografii dopplerowskiej, czym różni się metoda impulsowa od metody fali ciągłej?
Metoda fali ciągłęj - funkcje nadawczo odbiorcze przetwornika ultradźwięków realizowana jest przez dwie jego częśći. Jedna emituje falę, druga jest detektorem. Wadą jest, że jeżeli na drodze fali będzie więcej niż jedno naczynie to rejestrowana jest tylko najsilniejszy sygnał.
Metoda impulsowa - ten sam element jest nadajnikiem i detektorem fali, można dokonać wyboru głębokości z jakich informacja będzie analizowana. Stosuje się do tego tzw. Bramkę analizy.
Jak generowane są promienie Roentgena?
Do wytworzenia promieni Roentgena potrzeba źródła elektronów, przyśpieszacza elektronów, i materiału który po zbombardowaniu elektronami będzie wysyłał promieniowanie rentgena.
Elektrony są emitowane i przyśpieszane w polu wysokiego napięcia, i uzyskują wysoką energię kinetyczna. Elektrony wysokoenergetyczne są kolidowane z powierzchnią anody, co powoduje wysłanie promieniowania rentgena. Jest generowane w dwa sposoby - gwałtowne hamowanie elektronów w polu elektrycznym co pociąga zaburzenie pola i stanowi źródło fali elektromagnetycznej, energia tracona podczas hamowania zamienia się na promieniowanie; drugą metodą jest wybijanie elektronów z powłok, co powodune wzbudzenie, powrót elektronów do stanu wyjściowego powoduje emisję promieniowania
Co to jest widmo rentgenowskie ciągłe a co widmo charakterystyczne?
Widmo rentgenowskie -
Od czego zależy minimalna długość fali w widmie rentgenowskim? Podaj wzór.
Jaka działa klasyczna radiografia rentgenowska?
Na czym polega tomografia komputerowa?
Porównaj klasyczną radiografię z tomografią komputerową. Wymień, jakie znasz wady i zalety obydwu technik.