Mikrobiologia Ćwiczenia

Ziarenkowce Gram - dodatnie

Rodzaj Gronkowce :

- groniaste skupiska pojedynczych okrągłych komórek , powstają na skutek podziałów komórek w wielu płaszczyznach

- ziarenkowiec o jednakowych wymiarach w każdej płaszczyznę

-preferują środowisko tlenowe

- przetrwają w środowisku beztlenowym

- najlepiej rosną w obecności 7,5 % NaCl

-łatwe w hodowli i identyfikacji ( rosną w temp 37stC, przez zaledwie 18-24 godz .

- dla identyfikacji stasuje się metodą genetyczną opartej na elektroforezie w zmiennym polu elektrycznym .

Gronkowiec złocisty ( Staphylococcus aureus)

- szczególne cechy przystosowawcze do kolonizacji i szczególnie wysokiej zjadliwości

= tworzy mostki pentaglicynowe wspomagające w przyklejaniu się do powierzchni oraz do sztucznych cewników , protez tworząc biofilm

=czynniki determinujące chorobotwórczość umożliwiają wywołanie różnych postaci zakażeń , wykorzystując różne patomechanizmy - począwszy od inwazji i tworzenia ropni po działanie egzotoksyn np.:

. Egzotoksyny pirogenne - enterotoksyny , odpowiedzialne za większość zatruć pokarmowych

- Toksyna zespoły wstrząsu toksycznego , od gorączki niewydolność wielonarządową , wstrząs

Epidermolityczna - zmiany zapalne skóry ( od rumienia po złuszczające się pęcherze pod którymi znajduje się martwica )

Leukocydyna - toksyna ta niszczy wielojądrzaste leukocyty i makrofagi

Hemolizyny alfa, beta , gamma - liza tkanek , lizę erytrocytów

Białko A - wiąże się z IgG umożliwiając łączenie się przeciwciał z komórkami gronkowców i tym samym uaktywniając silna reakcję zapalną

Enzymy - Beta - laktamaza fibrynolizyna - modyfikują i inaktywują antybiotyk umożliwiają penetrację bakterii do tkanek

Zakażenia

1 zakażenia skórne :

- zapalenia mieszków włosowych - najbardziej ograniczone

-jęczmienie , małe czyraki umiejscowione na brzegach powiek

-czyraki , bardziej rozległe niż poprzednie

-ropnie i czyraki mnogie , obejmują mieszki włosowe gruczoły potowe, otaczające tkanki , szyja kark , wymagają antybiotykoterapii i opracowanie chirurgicznego

2 zakażenia głębokie :

- Krwiopochodne zakażenia szpiku kostnego i kości

- Zapalenia płuc i opłucnej z tendencja do tworzenia ropni , szczególnie dotyczy to chorych z osłabioną odpornością , po przechorowaniu grypy , po aspiracji ciała obcego

3.Choroby wywołane działaniem toksyn

- zatrucie pokarmowe , zakażenie 1-5 godzin od spożycia zatrutego , zainfekowanego pokarmu, pojawia się gwałtowna biegunka , wymioty , gorączka . Przede wszystkim leczenie objawowe z dużym naciskiem na nawodnienie . Samoistnie ustępuje po 24 -48 godzin

- gronkowcowe złuszczające zapalenie skóry , małe dzieci . Dwie postacie płonica gronkowcowa - rumień nie złuszczająca się wysypka .

- liszajec pęcherzowy ograniczona ilość pęcherzy , które pękają , odsłaniając skórę właściwą

- zespół wstrząsy toksycznego , jest choroba wielonarządową prowadząca do wstrząsu i śmierci . Rozpoczynać się może niewinnie , gorączką, wysypką na dłoniach , stopach , która później ulega złuszczeniu, bólami mięśniowymi kończyn , wymiotami , biegunką , hipotensją tachykardia , oligurią i anurią zgonem .

Epidemiologia :

- wyjątkowa łatwość w kolonizacji skóry i powierzchnię błon śluzowych , zwłaszcza uszkodzonych

- kolonizują przedsionek nosa i odbyt

- 60% personelu szpitalnego

- najczęstsza droga to brudna ręce

Gronkowiec skórny ( Staphylococcus epidermidis )

- wchodzi w skład fizjologicznej flory skóry człowieka

- może wywołać rozwój infekcji włącznie z zapaleniem wsierdzia i posocznicy u ludzi z obniżoną odpornością , z wszczepionym implantem i założonym cewnikiem centralnym lub dokomorowym .

-ma właściwości do tworzenia biofilmu .

Staphylococcus saprophyticus

- drobnoustrój oportunistyczny

- częsty czynnik zakażeń ukł moczowego - szczególnie u młodych kobiet

- wszystkie tkanki i płyny ustrojowe mogą Stanowic materiał do badań bakteriologicznych .

Rodzaj Paciorkowce Streptococcus :

- rodzaj obejmuje różne gatunki o odmiennych właściwościach genotypowych i genotypowych

- wywołują różnego rodzaju zakażenia o różnej lokalizacji i różnym stopniu ciężkości

- tworzą charakterystyczne łańcuszki - paciorki w trakcie hodowli

-względnie tlenowe

- do hodowli potrzebują agar z dodatkiem krwi

Podział opiera się na :

- morfologii kolonii i rodzaju hemolizy na agarze

- reakcjach biochemicznych , oporności na działanie czynników chemicznych i fizycznych

- swoistość serologiczną , którą określa swoistość węglowodanu ściany komórkowej wielocukru C . podział zalicz paciorkowce na grupy od A do R

Dla człowieka najbardziej istotne są z grupy A,B,C,D,G i S

Paciorkowiec beta -hemolizujacy gr A

Cechy :

- czynnik zjadliwości : cytotoksyczne białko M o właściwościach cytotoksycznych antyfagocytarnych, antykomplementarnych, białko F - adhezyjne, białko G hamujące fagocyty

- egzotoksyny , pirogenne odpowiedzialne za wysypkę w płonicy ,

- hemolizyny - czynniki rozprzestrzeniania np. streptokinaza, streptodornaza

Zakażenia : ropne, nieropne

Najczęstsze postacie to zapalenie gardła , migdałków , ropne zapalenie skóry, i liszajec

Róża - (rozlana infekcja śródskórna ), zapalenie tkanki podskórnej ( celulitis) ,zapalenie naczyń i węzłów chłonnych , płonica ( szkarlatyna ) , gorączka połogowa - posocznica u położnic, zapalenie zatok ucha środkowego, zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych , zapalenie płuc, wsierdzia , stawów kości i szpiku , bakteriemia, martwicze zapalenie powięzi i tkanki podskórnej , gorączka reumatyczna ostre kłębuszkowe zapalenie mięśnia sercowego

Rezerwuarem jest człowiek , najczęściej miejsce kolonizacji to gardło , migdałki .

Zakażenia szpitalne dość częste w oddziałach oparzeniowych , położniczych i noworodkowych

Diagnostyka : hodowla , testy serologiczne p/antygenowi paciorkowcowemu - ( streptolizynie O ASO),

Streptococcus agalactiae- miejsce kolonizacji gardło, przewód pokarmowy , pochwa ( do 75%)

- jest przyczyną wrodzonych i okołoporodowych zakażeń, posocznic noworodkowych , wczesnych i późnych .

Postacie kliniczne zakażenia to zapalenie płuc, ,opon mózgowo-rdzeniowych , zapalenie kikuta pępowinowego, zapalenie kości i szpiku

U kobiet zakażenie okresu połogowego

Str bovis- zakażenie dróg moczopłciowych , wsierdzia i opon mózgowo-rdzeniowych

Str pneumonie- dwoinka zapalenie płuc ; zakażenie górnych i dolnych dróg oddechowych , również zapalenie spojówek i stawów

Kolonizacja - jamy nosowo gardłowej nosicielstwo 70% , sezonowość - okres zimowy, 3 x częściej u dzieci,

Profilaktyka szczepionką wieloważną,

Str viridans zieleniejący - zapalenie - próchnica zębów, zapalenie wsierdzie .

Rodzaj Enterococcus -paciorkowce gr D, paciorkowce kałowe

- są czynnikami etiologicznymi ciężkich zakażeń szpitalnych

- są składnikami flory fizjologicznej przewodu pokarmowego

- najczęstsze postacie kliniczne zakażeń : zakażenie w obrębie miednicy mniejszej , jamie brzusznej , zakażenie skóry i tkanek miękkich, zakażenie centralnego układu nerwowego.

- są to bakterie wykazujące naturalną oporność na wiele powszechnie stosowanych bakterii

Szczególny problem leczniczy stanowią szczepy HLAR który wykazuje oporność na wysokie dawki aminoglikozydów , oraz na vankomycynę szczepy VRE

.

Ziarenkowce gram - ujemne

Rodzaj Neisserie

- nerkowaty kształt , występuje jako dwoinka, ma otoczkę , SA urzęsione

- rosną w temp 37st C , na podłożach wzbogaconych

- wymagają CO2,

Neisseria meningitidis ( meningokok, - dwoinka zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych, dwoinka zapalenia płuc)- sepsa

- wiele grup serologicznych - 13 -różnią się antygenowymi wielocukrami znajdującymi się w otoczce

Postacie zakażeń: nagminne zapalenie opon mózgowo- rdzeniowych , ropne zapalenie stawów, zapalenie płuc, zapalenie wsierdzia i osierdzia , posocznica , zapalenie spojówek , gardła i ucha

Nosicielem jest człowiek - 25% populacji w wieku 15-24 roku życia, najczęściej bakterie kolonizują się w jamie nosowo-gardłowej, przenoszone są drogą kropelkową .

Ogniska epidemiczne dotyczą środowisk zamkniętych : przedszkola , szkoły, akademików, koszar.

Śmiertelność 10-13% , w przebiegu wstrząsu septycznego wzrasta do 50%.

Diagnostyka :

Bada się płyn mózgowo rdzeniowy, krew, wymazy z nosa , płyn stawowy, treść z wybroczyn skórnych . Diagnostyka obejmuje bakterioskopię, , hodowlę, i identyfikację bakterii,

ZAKAŻENIE potwierdzone badaniami musi być zgłoszone do stacji sanitarno - epidemiologicznej

Profilaktyka - leczenie antybiotykoterapia , szczepionki dwu lub czteroskładnikowe

Neiseria gonorrhoeae ( gonokok, dwoinka rzeżączki)

- czynnik etiologiczny rzeżączki, 16 serotypów , czynniki determinujące zjadliwość to fimbrie, białka błonowe, otoczka, endotoksyna,

Zakażenia : błon śluzowych układu moczo-płciowych ,oka, odbytnica, gardła.

Bakterie wnikają do komórek nabłonka i są fagocytowane przez neutrofile , powodują proces ropny.

Zakażenia są zwykle miejscowe (zapalenie cewek moczowych , ale mogą rozprzestrzeniać się przez ciągłość lub drogą krwi. Rozsianemu zakażeniu gonokokowemu towarzyszy ropne zapalenie stawów , zmiany skórne , zapalenie wsierdzia, opon mózgowo- rdzeniowych , szpiku kostnego .

Szerzy się przez kontakty seksualne , rzeżączkowe infekcje dróg moczo-płciowych często są bezobjawowe i może być nie rozpoznane.

Diagnostyka - wymazy, hodowle , określenie lekowrażliwości.

Laseczki gram dodatnie niesporujące

Corynebacterium diphtheriae ( maczugowiec błonicy )

- laseczki układające się w kształcie X,Y,L , można wybarwiając uwidocznić ziarnistości

- wywołują ciężką chorobę - błonicę- najczęstszą ostrą formą zakażenia jest błonica gardła, krtani, tchawicy,

- najczęstszą przewlekłą jest błonica nosa, spojówek, ucha, narządów płciowych, błonica przyranna

Epidemiologia : choroba zakaźna , zaraźliwa ,

Przenoszona poprzez kontakt bezpośredni lub kropelkową

Cechą charakterystyczną jest lokalne umiejscowienie zakażenia , bakterie wywołują zmiany zwyrodnieniowo - martwicze w postaci błon

Mimo że mało zjadliwy wytwarza toksynę błoniczą , przenoszona jest droga krwi i uszkadza mięsień sercowy obwodowy oraz nerwy obwodowe.

Diagnostyka : objawy kliniczne , badanie fragmentów błon rzekomych, hodowla , izolacja identyfikacja . Najlepiej wzrasta w środowisku tlenowym , w temp 34-37st C, na podłożu wzbogaconym w surowicę i glukozę dla identyfikacji hodowlanej jest konieczne wzbogacenie podłoża w krew

Ważne jest określenie zdolności do produkcji toksyn, która determinuje chorobowość maczugowca.

W leczeniu stosuje się immunoterapię neutralizując toksynę a następnie antybiotyk.

W profilaktyce stosuje się anatoksynę błoniczą w szczepionce skojarzonej DTP zgodnie z kalendarzem szczepień. Istotna jest izolacja chorego. Badanie osób z kontaktu a nawet szczepienie ich anatoksyną błoniczą - szczególnie gdy od ostatniego szczepienie minęło 5 lat .

Rodzaj Listeria monocytogenes:

- ruchliwe laseczki Gram (+)

- szeroki zakres temperatur 5-40 stC

-rozpowszechniony w środowisku

Listeria monocytogenes

Zjadliwość - polega na wytworzeniu enzymów listerionoza , fosfolipaza, które ułatwiają wnikanie bakterii do makrofagów , komórek śródbłonkowych, rozpuszczają błony komórkowe i ułatwiają zakażenie nowych komórek

- chorują najczęściej ludzie z zaburzeniami odporności

- może dojść drogą pokarmową po spożyciu skażonego nabiału , mięsa, surowych jarzyn.

- zdolność do przeżywania bakterii w lodówkach

- zakażenie łagodne z objawami paragrypowymi lub zapalenie opon mózgowo- rdzeniowych, rzadko posocznicy

- listerioza płodu i noworodka zależy od drogi zakażenia . Płodu - listerioza jako wynik wewnątrzmacicznego zakażenia przez łożysko , bywa przyczyną poronień. Postać późna jest spowodowana zakażeniem drogą wertykalną, podczas przechodzenia przez kanał rodny- dochodzi do zapalenie opon mózgowych lub posocznice.

Profilaktyka - posiewy z szyjki macicy w trzecim trymestrze ciąży, unikanie niepasteryzowanego nabiału , surowych jarzyn

Diagnostyka : izolacja bakterii z krwi , ropy, płyn mózgowo-rdzeniowy, płyn owodniowy, wymaz z pochwy, smółka ,

Listeria rośnie na podłożach agarowych z krwią w środowisku tlenowym lub względnie beztlenowych . Do identyfikacji bakterii wykorzystuje się testy biochemiczne oraz testy określające ruchomość bakterii ( największa w temp 20 stC w temp 37stC nieruchliwe ).

Laseczki Gram (+) sporujące

Rodzaj - Bacillus

- ponad 40 opisanych gatunków

- są duże , nie ruszają się, tworzą owalne przetrwalniki - spory

Laseczka wąglika : bakteria terrorystów

- namnażają się w organizmie - 37st C , poza organizmem żyją krótko

- bez kontaktu z powietrzem i bez składników odżywczych tworzą endospory, które mogą przetrwać kilkadziesiąt lat . W sprzyjających warunkach spory zaczynają kiełkować.

- Postacie zakażeń : skórna - po wniknięciu przez uszkodzoną skórę pojawiają się na niej czarne plamy

Jelitowa - po spożyciu skażonego pokarmu pojawjają się zmiany martwicze i krwotoczne w błonie śluzowej i węzłach chłonnych przewodu pokarmowego

Płucna - poprzez inhalację spor .Charakterystyczny gwałtowny przebieg

Spowodowany martwiczo - krwotocznymi zmianami w tkance płucnej, węzłach chłonnych śródpiersia , - zwykle kończy się zgonem

Profilaktyka - szczepienia głównie wojska , zwalczanie wąglika wśród zwierząt.

Rodzaj Clostridium :

- 60 bezwzględnie beztlenowych gatunków laseczek sporujacych , Gram (+),

- kształt cylindryczny , lub nitkowaty w układzie pojedynczym podwójnym lub w formie łańcuszków .

- są urzęsione

- wytwarzają toksyny

- spory są większe od samych laseczek

Zgorzel gazowa

-wszędobylska , beztlenowa,

- czynnikiem zjadliwym jest otoczka i 12 egzotoksyn

- toksyna alfa i inne enzymy rozkładają tkanki co ułatwia rozprzestrzenianie się drobnoustroju.

Postacie zakażeń - przyranne : zapalenie podskórnej tkanki łącznej i zgorzel gazowa

Zapalenie pęcherzyka , macicy, jajowodów oraz narząd

jamy brzusznej.

Leczenie - chirurgiczne opracowanie rany , antybiotykoterapia, tlenowa terapia hiperbaryczna , immunoterapia .

Laseczka tężca:

- nieinwazyjny, -wytwarza 3 toksyny

-Zakażenie przez uszkodzoną skórę, po wniknięciu do rany, gdy wytworzy się środowisko beztlenowe wytwarzają toksynę ,która przenika wzdłuż nerwów obwodowych do OUN , blokuje procesy hamowania pobudzenia nerwowego następstwem czego są napięcie i kurcze mięśni. Doprowadza to do zgonu . Leczenie w OITM

- Rezerwuarem jest przewód pokarmowy zwierząt oraz zabrudzona gleba .

- poród w środowisku naturalnym i zabrudzenie kikuta pępowinowego, dalszy rozwój zakażenia - opisywane jako tężec noworodkowy

Leczenie - respiratoroterapia , leki p/bólowe i zwiotczające , Profilaktyka -szczepienie

Laseczka jadu kiełbasianego

- wszędobylska- mają zdolność ruchu, odporna na wysokie temperatury 100st C, beztlenowiec

-szczególnie niebezpieczna nieświeża żywność lub jej skażone przetwory.

- wytwarza toksyny - niebezpieczna botulina - powoduje porażenie wiotkie przez hamowanie uwalniania acetylocholiny, - wrażliwa na wysokie temperatury - wystarczy gotować 20 min.

Botulizm jest wynikiem spożycia toksyn , postępujący paraliż, szczególnie mięśni oddechowych i serca , zatrzymanie krążenia .

Ćwiczenia z mikrobiologii

Promieniowce

- zróżnicowana grupa, znaczny polimorfizm komórkowy ( nitkowate, pałeczki , ziarenkowce)

- budowa nitkowata

- spokrewnione z prątkami

- wykazują powierzchniowe podobieństwo do grzybów

-nie wytwarzaję spor

- Gramm (+)

Rodzaj Actinomyces

- bezwzględny tlenowiec

- składnik fizjologicznej flory jamy ustnej , przewodu pokarmowego, dróg rodnych

Choroba - przewlekła , tworzenie się ropni i przetok zlokalizowanych w okolicy żuchwy , obszarów klatki piersiowej i brzucha .

Do zakażenia dochodzi po uszkodzeniu błony śluzowej np. w jamie ustnej po ekstrakcji zęba lub po urazie . Uczestniczą w infekcjach przyzębia , próchnicy w ropnych chorobach jamy ustnej

W diagnostyce wykorzystuje się badanie makroskopowe treści ropnej , oraz hodowla - nawet 2 tygodni.

Rodzaj Nocardia

- bezwzględny tlenowiec

- szczególne powinowactwo do układu oddechowego, skóry i tkanki podskórnej,

- zakażenie dotyczy szczególnie ludzi z zaburzoną odpornością

- diagnostyka bezpośrednie badanie makroskopowe z plwociny lub materiału biopsyjnego .

Prątki

- kształt pałeczkowaty, kwasoodporne ,

- wolno rosnące ,

- bezwzględne tlenowce

- bezwzględnie chorobotwórcze

Rodzaj Mycobacterium:

- drogą kropelkową , wywołują gruźlicę, ( infekcja rozpoczyna się namnożeniem się prątków w makrofagów pęcherzyków płucnych , skąd drogą krwi roznoszone są do innych narządów. Oprócz postaci płucnej wyróżnia postać jelitową , otrzewnową , nerkową , mózgowo - rdzeniową , kostną i stawową .

- choroba powszechna, równa zakaźność w każdym wieku , 1/3 populacji zakażona z tej grupy tylko 6% - do zachorowania dochodzi w okresie do 2 lat od zakażenia w chwili zaburzenia odporności . Zwiększone ryzyka dotyczy chorych na AIDS, pracowników medycznej , .

Diagnostyka oparta na hodowli prątków z plwociny, płynu z opłucnej , popłuczyn żołądkowych i płucnych , płynu mózgowo rdzeniowym , płyn stawowy , szpik kostny .

Identyfikacje prowadzi się metoda genetyczną- PCR .

Śródskórny test tuberkulinowy Mantoux- odczyn dodatni wykazuje na kontakt pacjenta z prątkami , które może wynikać z zakażeniem prątkami jak i przebytym szczepieniem . Nie jest to badanie przesiewowe ponieważ, dodatni świadczy zarówno o zakażeniu jak i o przebytym szczepieniu i aktywnej po nim odporności, ujemny wynik powyższego nie wyklucza.

Profilaktyka - szczepienie szczepionkami żywymi atenuowanymi ( odzjadliwionymi) prątkami.

Mycobacterium leprae - prątek trądu- choroby skóry, nerwów i błony śluzowej. Choroba krajów tropikalnych , szerzy się poprzez bliski kontakt.

Krętki:

- duża heterogenna grupa ,

- ruchliwe, spiralne bakterie

- chorobotwórcze

Rodzaj Trepanowa :

Treponema pallidum - wywołuje kiłę

- zakażenie przez kontakt bezpośredni, łożysko,

- wrotami są- błony śluzowe , uszkodzona skóra

- krętki namnażają się w miejscu wniknięcia lub też w sąsiednich węzłach chłonnych .

Diagnostyka - objawy kliniczne

- metody serologiczne dotyczą surowicy jak i płynu mózgowo-rdzeniowego

- wykrycie żywych ruchliwych krętków jest możliwe we wczesnym stadium kiły

- nie barwią się metodą Grama

Rodzaj Borelia

- czynnik etiologiczny boreliozy z Lome

- choroba odzwierzęca- kleszcze

- fazowy , przewlekły przebieg choroby, charakteryzujący się remisjami i zaostrzeniami objawów, typowe trzy stadia choroby: zmiany skórne w postaci wędrującego rumienia, zakażenia układowego, w tym centralnego układu nerwowego, układu sercowo- naczyniowego, układ kostno-stawowego oraz zanikowe zapalenie skóry neuropatia obwodowa

Diagnostyka - wykrycie bakterii w preparatach krwi i osadu płynu mózgowo-rdzeniowego- barwionych metodą Giemzy, możliwa hodowla ,oraz techniką PCR. Podstawą jest metoda serologiczna.

Rodzaj Leptospira

-gatunek obejmujący wiele serotypów wywołujących zakażenia o bardzo zróżnicowanych objawach

- Leptospiroza z żółtaczką ( zespół Weila )- postać z żółtaczką , zaburzeniami czynnościowymi wątroby, krwotokami wewnętrznymi, zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych

Diagnostyka : - hodowla , izolacja bakterii, testy serologiczne .

Mykoplazmy

-Gram-ujemne

-najmniejsze drobnoustroje zdolne do samodzielnego życia

- komórki o uproszczonej budowie i ograniczonym metabolizmie o ogromnym polimorfizmie

- rosną w warunkach beztlenowych na podłożach wzbogaconych, przybierając kształt sadzonego jajka

- są pasożytami błon śluzowych najczęściej układu oddechowego oraz stawów,

- przebieg zakażenia ostry , przewlekły miejscowy, uogólniony

Mycoplasma pneumoniae odpowiedzialna za 20% zapaleń płuc pozaszpitalnych

Ureaplasma urealiticum - zakażenia dróg moczo-płciowych przyczyną infekcji przewlekłych , jajników jajowodów, zakażeń wrodzonych u noworodków

Chlamydie

- bezwzględne wewnątrzkomórkowe pasożyty ludzkie i zwierzęce

- niezdolne do samodzielnego rozmnażania ponieważ nie syntetyzują ATP , w cyklu rozwojowym wykorzystują szlaki metaboliczne komórki gospodarza

- formą zakaźną jest ciałko elementarne , które przyczepia się do komórek nabłonka jest przez nie fagocytowane i następnie w nich przekształcane od 100-1000 nowych ciałek elementarnych po około 48 godzinach są uwalniane z komórek gospodarza .

- trudne w hodowli tylko na zarodkach jaja kurzego

Chlamydia trachomatis - wywołuje- jaglice - będącą główną przyczyną ślepoty

- narządu moczo-płciwego

- zapalenie płuc i spojówek u noworodków

- ziarniak weneryczny

Chlamydia pneumoniae - atypowe zapalenie górnych i dolnych dróg oddechowych

- przewlekłe zapalenie zatok

- rola w rozwoju astmy oskrzelowej oraz zmian miażdżycowych a

następnie w rozwoju choroby niedokrwiennej serca

Diagnostyka - oparta na serologii , znalezieniu ciał elementarnych metodą fluorescencyjną oraz wykryciu RNA i DNA

Riketsje

- bezwzględne pasożyty wewnątrzkomórkowe

- nie rosną na podłożach sztucznych

-pałeczki lub okrągłe ,

- Gram - ujemne

- namnażają się na zarodkach ptasich

- roznoszone przez stawonogi

-jednostki chorobowe : dur wysypkowy, gorączki plamiste , atypowe zapalenie płuc , wątroby , zapalenie mózgu, chorobę kociego pazura

Diagnostyka - serologiczna

Rodzina Enterobacteriaceae

- największa i najważniejsza klinicznie

- wszędobylskie

- większość jest florą fizjologiczną jelit

Cechy:

- Gram ujemne

- fermentują glukozę

-nie wytwarzają spor

- ruchliwe lub nie , okołorzęse

-tlenowe lub beztlenowe

-rosną na prostych jak i złożonych podłożach

- Zjadliwość zależy od:

endotoksyny -egzotoksyny - czynnika adhezyjnego- otoczki

- mają ścianę komórkową z lipopolisacharydem - endotoksyną

-klasyfikuje się je w zależności od antygenów - somatycznego, otoczkowego i rzęskowego

- nosicielami są zwierzęta , ludzie chorzy i nosiciele

Escherichia coli

-tzw pałeczki jelitowe

-stwierdzenie ich w wodzie pitnej świadczy o zakażeniu jej kałem

- główny składnik flory fizjologicznej przewodu pokarmowego , może być w formie oportunistycznej czynnikiem etiologicznym zakażeń szpitalnych

-względnie beztlenowy, niesporujący , szybko rosnący, znaczna ruchliwość , fermentują laktozę, dobrze tolerują żółć

Główne czynniki zjadliwości :

1 . Fimbrie i białka adhezyjne ułatwiające dotarcie do nabłonka przewodu pokarmowego

2. Toksyny:

- enterotoksyny

- toksyny podobne do toksyn czerwonokrwinkowych

- werotoksyny- typ I i Ii powoduj niszczenie komórek nerek małp

- hemolizyna

3. Otoczka o właściwościach antyfagocytowych

4. Lipopolisacharyd

Typy zakażeń :

Zakażenia pozajelitowe :

-zakażenia układu moczowego ( zapalenia pęcherza , odmiedniczkowe zapalenie nerek)

-zakażenie ran szczególnie po zabiegach chirurgicznych

-zapalenie płuc noworodki , niemowlęta

-zapalenie opon zwykle poprzedzone posocznicą , noworodki , niemowlęta

-zakażenia krwi

Zakażenia jelitowe

- enterogenne biegunki, - z wydzielniczymi biegunkami

- enterotoksyczne biegunki - wynikające ze złej absorpcji

1 nieżyty żołądkowo - jelitowe

2 biegunki podróżnych

3 krwotoczne zapalenie okrężnicy

4 zespół hemolityczno mocznicowy

Rodzaj Yersinia

- beztlenowce , wzrastają w niskich temperaturach ,

- zakażenie dżuma - płucna ( 2-3 dni inkubacji , 90%), dymienicza ( 7 dni inkubacja , 75% ludzi umiera ), zapalenie jelita cienkiego- może imitować zapalenie wyrostka.

- odzwierzęce ( szczury, wiewiórki, króliki zwierzęta domowe), przenoszone przez pchły lub zakażenie droga kropelkową.

Rodzaj Klebsiella

-otoczki - odpowiedzialne za śluzowy wygląd kolonii

-wywołuje - pierwotne zakażenie płuc- prowadzi do uszkodzenia pęcherzyków płucnych i krwawo zabarwionej plwociny

- zakażenie ran i tkanek miękkich i układu moczowego

Rodzaj Acinetobacter:

-zróżnicowane , występują jako łańcuszki lub widoczne jako pary, mają rzęski, wytwarzają otoczki

- Gram- ujemne , niefermentujące

- mogą być przyczyną oportunistycznych zakażeń szpitalnych

Zakażenia najczęściej szpitalne - materiał pobrany z ran , krwi plwocinie ,płynie mózgowo-rdzeniowej

Rodzaj Helicobacter

- ruchliwy , mikroaerofilna, spiralna

-wyłącznie u ludzi - odpowiedzialny za wrzody żołądka i dwunastnicy 80-90 %

- zakażenie szerzy się droga feralno- oralną, i związany jest z brakiem higieny

-kolonizuje nabłonek żołądka

Zjadliwość :

-ureaza rozkłada mocznik a powstały amoniak chroni bakterie pokrywając je i neutralizując kwaśne środowisko

-wytwarza adchezyny przyczepiające je do śluzówki

- cytotoksyny uszkadzające śluzówkę żołądka

- produkują cytokiny rozwijające proces zapalny

Diagnostyka : hodowla , PCR, oznaczenie produktów ureazy- amoniak w świeżo pobranym wycinku.

Rodzina Haemophilus

- Gram - ujemne,

- beztlenowe,

-małe , nie wytwarzają spor , nieruchoma

- kolonizuje górne drogi oddechowe

- u noworodków powoduje posocznicę , zapalenie opon mózgowo- rdzeniowych , spojówek,

- Profilaktyka - szczepionka HIB

Diagnostyka : Hodowla w atmosferze wzbogaconej CO2, test aglutynacji lateksu opłaszczonego swoistymi przeciwciałami - ( szybki test w poszukiwaniu czynnika etiologicznego w zapaleniu opon mózgowo-rdzeniowych

Pałeczka gram ujemna niefermentująca- nie wytwarza spor

- powszechne w środowisku

- są komensalami , kolonizują cewniki , są tez bezwzględnie chorobotwórcze ( oportunistyczne zakażenia szpitalne )

-morfologicznie różne ( ziarenka , pałeczki, )

Pseudomonas aeruginosa - pałeczki ropy błękitnej

- przyczyna poważnych zakażeń szpitalnych

-rezerwuarem są miejsca wilgotne , zlewy , umywalki wanienki , butelki, respiratory

- tworzy biofilm na cewnikach

- jest powodem bakteriemii , posocznicy

- Zjadliwość determinowana jest chorobotwórczością :

Endotoksyna - odpowiedzialna za posocznicę ,egzotoksyna A- hamuje syntezę białek, egzotoksyna S - hamuje aktywność fagocytów , enterotoksyna -powoduje zapalenie jelit, leukocydyna - działa toksycznie na ludzkie leukocyty, hemolizyna - hamuje makrofagi, enzymy proteolityczne - niszczą tkanki gospodarza ,

- duża łatwość w nabywaniu oporności bakteryjnej ,

- najczęstsze zakażenia na OITM, OITN, chirurgii, transplantologii,

- podstawowymi czynnikami ryzyka infekcji są choroby o ciężkim przebiegu, wiążące się z długim pobytem w szpitalu, obniżeniem odporności , zabiegami chirurgicznymi i procedurami intensywnej terapii, rany pooparzeniowe , pooperacyjne , stosowanie w antybiotyków o szerokim spektrum.

- NIEPRZESTRZEGANIE zasad higieny rąk personelu szpitalnego

- Zakażenie szpitalne : od zakażenia rany, złamania , zapalenia kości, szpiku kostnego, stawów , zapalenie płuc, zapalenia opon mózgowo rdzeniowych, zapalenie wsierdzia , , bakteriemia , posocznice, wstrząs septyczny.

-Zakażenia pozaszpitalne: soczewki kontaktowe , kolczykowanie w niewłaściwych gabinetach , zapalenie uch zewnętrznego , środkowego .

- Zakażenie szczególnie groźne dla chorych z mukowiscydozą .

Diagnostyka : hodowla na wybiórczych podłożach, cecha przydatną do identyfikacji jest zdolność do wytwarzania barwników dyfundujących z kolonii do podłoża - niebiesko - zielony barwnik ( nazwa zwyczajowa), inne barwniki to zielony, czerwony, brązowy.

Zdolność wytwarzania zapachu-lipy bądź jaśminu

- małe wymagania wzrostowe, temp 25-42 st C, rosną w środowiskach z wysokimi stężeniami soli oraz środkami antyseptycznymi i antybiotykami

Rodzaj Legionella

-cienkie, trudno barwiące się pałeczki Gram- ujemne , ruchliwe

- szczególne wymagania wzrostowe .

Legionella pneumophila:

- tlenowa, wewnątrzkomórkowa gram- ujemna , ruchliwa, trudno barwliwa

-zakażenie legioneloza - ( choroba legionistów ), atypowe zapalenie płuc , goraczka Pontiak bez zajęcia płuc.

- rezerwuarem są instalacje wodne , klimatyzacyjne , nawilżacze , prysznice .

- infekcje hotelowe.

- do zakażenia dochodzi w wyniku wdychania aerozoli zawierających bakterie

- nie przechodzi z człowieka na człowieka

- w 20% kończy się śmiercią

Diagnostyka : makroskopia bezpośrednia, hodowli , oznaczeniu przeciwciał

Profilaktyka obejmuje odkażanie instalacji klimatycznych

Rodzaj Lactobacillus

- gram (+), niesporujące , względnie beztlenowe ,- laseczki

- wchodzi w skład flory przewodu pokarmowego, narządu rodnego , skóry , jamy ustnej .

- w mleku matki, kale niemowląt kilka dni po porodzie ,

- mają zdolność do fermentacji węglowodanów z wytworzeniem kwasu mlekowego, octowego ( bakterie kwasu mlekowego)

- wytwarzają aktywne substancje produkujące nadtlenek wodoru działający hamująco na wzrost większości bakterii chorobotwórczych . Stosowane jako probiotyki w celu normalizacji flory bakteryjnej przewodu pokarmowego i pochwy

Rodzaj Bifidobacterium ( bifidum, breve, longum)

-Gram(+), beztlenowe

- kolonizują przewód pokarmowy , pojawiają się kilka godzin po porodzie w jelicie noworodka , bytuja w jelicie grubym

- dostarczany jako suplement do żywności w celu odtwarzania prawidłowej mikroflory przewodu pokarmowego po przebytej kuracji antybiotykowej.

Mykologia - Ćwiczenia z mikrobiologii -

Cechy morfologiczne i fizjologiczne grzybów

- organizmy eukariotyczne z wyraźnie oddzielonym dwoma błonami jądrem i z wydzielonym jąderkiem i określoną dla każdego gatunku ilością chromosomów

- brak zróżnicowania tkanek

- nie mają chlorofilu

- odżywiają się heterotrofowi

- pobierają pokarm z martwej tkanki organicznej - saprofity, lub żywej - pasożyty

- bardzo liczna grupa - 150 tyś

- podział zależy od sposobu rozmnażania płciowego

Rozróżnia się :

- drożdże , jednokomórkowe , różnokształtne

- grzyby nitkowate ( dwa rodzaje grzybni - grzybnia wegetatywna , wnika do podłoża celem uzyskania pożywienia i grzybnia powierzchowna , która wytwarza spory i jest odpowiedzialna za podtrzymanie gatunku

Budowa

- zmienność morfologiczna uzależniona od środowiska i sposobu bytowania

-Pleomorfizm = utrata zdolności tworzenia owocników tj różnego rodzaju spor i narządów je wytwarzających , pozostaje tylko jednolita biała bawełniana grzybnia zwana jałową ,

Dymorfizm= występowanie danego gatunku grzyba w różnych formach morfologicznych w zależności od środowiska bytowania.

- jądro z jąderkiem i określoną , charakterystyczną ilością chromosomów

- w ścianie komórkowej grzybów - wielocukier chityna oraz mannan, glinka białka i lipidy

- dobrze zróżnicowane organelle, również spotkany aparat Golgiego

- gromadzony materiał zapasowy wolutyna , glikogen, lipidy w znacznie większych ilościach niż u bakterii.

Zwykle rosną w warunkach tlenowych , w temperaturze 20-45stC, ( pasożyty skóry w niższych temperaturach , pasożyty narządów wewnętrznych w wyższych), są takie które sosną w temp 0st C jak i ponad 60stC.

- raczej preferują środowisko kwaśne pH 2,2-8,0

- wymagają węglowodanów jako źródła węgla , białek jako źródła aminokwasów, mikroelementów , niektóre grzyby potrzebują do wzrostu Witamin z grupy B

Są szczególnie chorobotwórcze dla roślin i zwierząt ale również dla ludzi wywołując u nich różne postacie grzybic ale również alergie lub toksyny będące czynnikami współdziałającymi w nowotworzeni np. aflatoksyna.

Cztery grupy :

- grzyby drożdżopodobne

- grzyby pleśniowe

- grzyby dermatofitowe

- grzyby dymorficzne.

Podział grzybic na :

-endogenne , wywołane przez grzyby bytujące w organizmie człowieka np. Candida ( przewód pokarmowy, drogi rodne ), Pityrosporum- kolonizujące skórę

- egzogenne , które przedostały się do środowiska egzogennego np. bytujące w przewodzie pokarmowym ptaków drogą wziewną lub poprzez uszkodzoną skóre dostaja się do organizmu człowieka gdzie są patogenami, inne np. będące pleśniami w środowisku otaczającym , w powietrzu, w wodzie.

Inny podział grzybic z punktu widzenia lokalizacji : powierzchowne i głębokie ( narządowe), ogniskowe lub uogólnione - fungemia = obecność grzybów we krwi.

Wyróżnia się czynniki predysponujące oraz współdziałające z nimi mechanizmy zakażenia - tabela /////////

-Grzyby drożdżopodobne- początkowo przylegają do komórek gospodarza , potem je kolonizują jeżeli nie zostaną usunięte poprzez np. strumień moczu , dalej dochodzi do kolonizacji wstępującej do organizmu człowieka , przy obecności czynników predysponujących np. zaleganie moczu , zachwianie odporności, ciąża i zmiana odczynu w pochwie i dochodzi do zakażenia

Jeżeli jest uszkodzona skóra lub grzyby dostana się do organizmu drogą wziewną to również staną się one patogenami dopiero po pojawieniu się czynników sprzyjających .

- Grzyby pleśniowe - zakażenie dotyczy szczególnie ludzi z obniżona odpornością , obciążonych innymi chorobami. Do organizmu , drogą wziewną wnikają spory i przy uszkodzeniu tkanek lub zmienionych chorobowo wnikają do wnętrza organizmu . Do uogólnienie grzybicy dochodzi przy obecności wyżej wymienionych sprzyjających czynników

- dermatofity- zakażenie przechodzi z zakażonego, uszkodzonego naskórka na skórę właściwą. Dotyczy to szczególnie dużych zamkniętych środowisk ludzkich, w których korzysta się zbiorowo z urządzeń sanitarnych

Zapobieganie grzybicom:

- eliminowanie grzybów ze środowiska

-eliminowanie czynników predysponujących

-pacjentów o szczególnych predyspozycjach leczy się w sposób celowany, ogranicza się tz. szeroką antybiotykoterapię , zwiększa się ich odporność, prawidłowo leczy schorzenia podstawowe .

- szczególna profilaktyka i ograniczanie źródeł grzybiczych zakażeń szpitalnych poprzez właściwą sterylizację narzędzi i sprzętu .

- odpowiednia filtracja powietrza w salach operacyjnych ,OIT, itd.

Leczenie grzybic - tabela ///////

Leki przeciwgrzybiczne dzieli się na antybiotyki wyprodukowane z biosyntezy promieniowców i grzybów pleśniowych oraz syntetyczne leki przeciw grzybicze.

Najczęściej stosowane polienowe:

Nystatyna - grzybice drożdżopodobne przewodu pokarmowego ( nie wchłaniają się z przewodu pokarmowego) , zewnętrznych części narządu rodnego, skóra .

Pimarycyna - drożdżopodobne , dermatofity, pleśnie - nie wchłaniają się z przewodu pokarmowego, stosowane do grzybic skóry i błon śluzowych

Amfoteracyna B - najsilniejszy i najbardziej toksyczny , działa na drożdżopodobne , pleśnie oraz grzyby dymorficzne , podawana dożylnie

Syntetyczne :

-Klotrimazol, ketokonazol - grzybice powierzchowne skóry i błon śluzowych

-flukonazol - drożdżopodobne

Grzyby drożdżopodobne :

- różnorodność kształtu

-duża aktywność biochemiczna pomagająca w rozpoznaniu : zdolność fermentacji , przyswajaniu węglowodanów, węgla , azotu

- zdolność do tworzenia grubościennych form przetrwalnikowych .

Rodzaj Candida - C albicans

- zdolność przylegania , kolonizacji ,

- z materiału się izoluje hoduje , identyfikuje ,

- preparat bezpośredni barwi metodą Grama, bezpośrednio ogląda w mikroskopowo i makroskopowo grzybnie po przesianiu na podłożu Sabourauda

- próby biochemiczne - fermentacja i asymilacja = przyswajanie

- ocenia się wrażliwość na stosowane leki przeciwgrzybiczne.

Cryptococcus - bytują w przewodzie pokarmowym gołębi, człowiek zakaże się drogą wziewną lub po uszkodzeniu naskórka , może dojść do uogólnionej kryptokokozy lub kryptokokozu ośrodkowego układu nerwowego

W badaniu charakterystyczna obecność otoczki mukopolisacharydowej ( barwienie metodą Grama a następnie tuszem chińskim). W badaniu diagnostycznym charakterystyczne właściwości biochemiczne - rozkłada mocznik

W badaniu serologicznym ujawnienie antygenu - otoczka lub wytworzonym przeciwko niemu przeciwciał.

Rodzaj Pityrospory:

- litofilny,

- skóra owłosiona głowy ze skłonnością do łojotoku

- łupież pstry ( nadmierne pocenie się , gorący klimat)

- na tułowiu drobne łuszczące się zmiany

- pozostają długo odbarwione plamy

- rozpoznanie kliniczne , badanie w lampie Wooda ( ceglaste zabarwienie pod wpływem promieniu ultrafioletowych ), w preparacie bezpośrednim - blaspory, rośnie na podłożu Sabourauda

Grzyby pleśniowe

- powszechne

- wywołują wszystkie postacie grzybic w zależności od czynników sprzyjających ,

-wywołują alergie oskrzelowo - płucne

- wytwarzają mykotoksynę - aflatoksynę- działanie mutagenne i karcynogenne.

Rodzaj Aspergillus :

- grzybice - układu oddechowego, - masy grzybicze przypominające guz w klatce piersiowej ,- grzybice zatok bocznych nosa , zapalenie gałki ocznej, skóry gładkiej , paznokci, ośrodkowego układu nerwowego, posocznica

- diagnostyka - makroskopowo wygląd konidioforu czyli struktury utrzymującej spory

Diagnostyka serologiczna .

Grzybice o nazwach - akaulioza, fikomykoza, zygomykoza, mukormykoza

Grzyby dermatofitowe

- grzybice powierzchowne o różnym nasileniu odczynu zapalnego

- typowe infekcje egzogenne ( dermatofity antropofilne, zoofilne , geofilne)

- mogą wywoływać epidemie w dużych skupiskach ludzi

Zakażenia skóry i jej wytworów -różne postacie

Diagnostyka - obraz kliniczny , odpowiednio pobrany materiał do badania , preparat bezpośredni rozjaśniony 20% KOH , część materiału posiewa się na podłoże Sabourauda z dodatkiem antybiotyku , rosną bardzo wolno- kilka tygodni. Ogląda się i ocenia porosłe kolonie .

Grzybice to Trichophyton, Epidermophyton, Microsporum

Pneumocystis Carinii drobnoustrój zaliczany przez niektórych do pierwotniaków a innych do grzybów

Typowe zakażenia to atypowe pneumocystozowe zapalenie płuc u noworodków i/lub chorych na HIV

Do badania pobiera się wymaz z nagłośni, plwocinę popłuczyny oskrzelowe , tkankę płucną . Poszukuje się cyst i trofozoitów - bardzo trudne . W badaniu serologicznym stwierdza się obecność specyficznych przeciwciał

Leczy się pentamidyną lub sulfonamidami.

Ćwiczenia z Biofizyki //////////////

Fale sprężyste - szeroko wykorzystywane w medycynie to fale ultradźwiękowe ( wykorzystywane w diagnostyce) i uderzeniowe ( wykorzystywane w terapii lithotriptery - np. do rozbijania kamieni nerkowych )

Fale ultradźwiękowe są drganiami mechanicznymi o częstotliwościach większych niż 20 kHz, rozchodzącymi się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych.

Wraz z przekazaniem ruchu drgającego następuje przekazanie energii . Odbywa się to nie na zasadzie przemieszczania substancji ,lecz poprzez

przemieszczenie deformacji danego ośrodka.

W diagnostyce USG wykorzystuje się fale o częstotliwościach od 2MHz do 15 MHz.

Fale rozchodzące się w wodzie i w tkankach miękkich są falami podłużnymi . W tkankach miękkich z niewielką sprężystością mogą rozchodzić się również fale poprzeczne .

W tkankach kostnych wytwarzane mogą być fale poprzeczne , podłużne lub powierzchniowe.

Wielkości opisujące stan zaburzenia ośrodka sprężystego to:

- ciśnienie akustyczne ,- natężenie dźwięku, - temperatura , - prędkość drgających cząstek

Wartości prędkości fali ultradźwiękowej w tkankach są do siebie zbliżone .

Wyjątkiem są tkanka kostna , tłuszczowa i tkanki oka .

W tkance kostnej ze względu na rozchodzenie się różnych typów fal sprężystych

( poprzecznych i podłużnych ) ich prędkości mogą się znacznie różnić.

Stwierdzono że na prędkość rozchodzenia się fal wpływa stan czynnościowy danej tkanki

( stopień ukrwienia, uwodnienia, różnice w składzie biochemicznym).

Zjawiska związane z oddziaływaniem fal ultradźwiękowych z materią .

- Zjawisko odbicia - fala płaska ,rozchodząca się w ośrodku jednorodnym akustycznie , padająca prostopadle na granicę dwóch ośrodków , dochodząc do granicy z ośrodkiem o innej oporności akustycznej właściwej, ulega odbiciu.

- Zjawisko załamania - fala przechodząc do drugiego ośrodka o innej oporności akustycznej właściwej , zmienia kierunek swojego biegu w zależności od wartości kata padania.

- Zjawisko ugięcia - fala ultradźwiękowa rozchodząca się w danym ośrodku , w pobliżu struktury o innej gęstości ulega ugięciu , jest ono tym silniejsze , im większa jest długość fali w porównaniu z wymiarami przeszkody.

- Zjawisko interferencji- Ze względu na niejednorodność tkanek poszczególne części wiązki ultradźwiękowej przechodzą przez nie z różną prędkością. Powstają zatem różnice faz pomiędzy poszczególnymi częściami wiązki a interferencja fal powoduje częściowe wygaszenie wiązki. Nałożenie się fal będących w fazach przeciwnych prowadzi do ich wzajemnego osłabienia , natomiast wzmocnienie następuje przy spotkaniu się fal zgodnych w fazie .

- Zjawisko rozproszenia - polega na przemianie fali pierwotnej w zbiór fal rozchodzących się we wszystkich możliwych kierunkach . Zachodzi w wyniku oddziaływania z napotkanymi po drodze różnego rodzaju przeszkodami . Rozpraszanie przyczynia się do osłabienia wiązki

- Zjawisko absorpcji - na skutek absorpcji energia mechaniczna fali ultradźwiękowej zamienia się na ciepło dzieje się tak bo ośrodek , w którym rozchodzi się fala nie jest doskonale sprężysty. Tarcie wewnętrzne , przewodnictwo cieplne i zjawiska molekularne prowadzą do wykładniczego zmniejszania amplitudy drgań wraz z odległością . Absorpcja jest głównym czynnikiem wpływającym na głębokość wnikania wiązki fali do danego ośrodka .

- Zjawisko tłumienia - Absorpcja , rozproszenie fali, oraz w niewielkim stopniu odbicie , załamanie i ugięcie są mechanizmami odpowiedzialnymi za tłumienie fali w ośrodku.

Pojecie tłumienia jest szersze niż pojęcie absorpcji . Współczynnik tłumienia jest sumą współczynników absorpcji i rozpraszania. Dla tkanek miękkich współczynnik tłumienia fal poprzecznych jest około 3 x większy niż współczynnik tłumienia fal podłużnych.

- Zjawisko Dopplera - polega na zmianie częstotliwości fali , występuje wszędzie tam , gdzie źródło fal znajduje się w ruchu względem obserwatora . Zjawisko występuje niezależnie od tego czy porusza się źródło czy obserwator

Jeżeli wiązka ultradźwiękowa jest odbita od ruchomego obiektu jakim może być krwinka , obiekt ten można traktować jako ruchome źródło . W konsekwencji rejestruje się falę , której częstotliwość jest zmieniona względem częstotliwości fali nadanej. Zbliżanie się krwinki powoduje zwiększanie częstotliwości a oddalanie zmniejszanie częstotliwości.

Fizyczne efekty oddziaływania fal ultradźwiękowych z materią

- Efekt termiczny - pojawienie się go związane jest z pochłanianiem energii fali ultradźwiękowej przechodzącej przez ośrodek lepko - sprężysty. , w którym następuje przekształcenie energii kinetycznej na energię cieplną . Wartość wytwarzanej energii cieplnej jest zależna od natężenia fali oraz od czasu jej działania .

- Efekt mechaniczny - największe znaczenie mają zjawiska kawitacji i fala uderzeniowa . Zjawisko kawitacji polega na pojawieniu się w ośrodku pęcherzyków , które ulegają zapadaniu . Pęcherzyk kawitacyjny powstaje w wyniku chwilowego obniżenia ciśnienia w określonej objętości . Kawitacja trwała - pęcherzyki mają tendencję do wzrostu i po osiągnięciu pewnych rozmiarów stają się pęcherzykami rezonansowymi . Drgania ich mogą utrzymywać się bardzo długo a ich amplituda może przekraczać amplitudę fali ultradźwiękowej przechodzącej przez ośrodek.

Kawitacja przejściowa zachodzić może przy średnich i dużych natężeniach fali gdzie pęcherzyki powiększają się , wykonują drgania nieliniowe a gdy ciśnienie środowiska jest większe niż 1 atmosfera to zapadają się .

Wytwarzanie i odbiór fal ultradźwiękowych

Do wytwarzania ultradźwięków dla celów diagnostycznych stosuje się przetworniki piezoelektryczne , umieszczane w głowicach . jeden przetrwalnik spełnia funkcję nadawczą drugi odbiorczą .

Wiązkę ultradźwiękową emitowaną przez głowice dzieli się na dwa obszary : pole bliskie i pole dalekie . Pole bliskie ma w przybliżeniu kształt cylindryczny o podstawie odpowiadającej przetrwalnikowi . Pole dalekie ma kształt stożka . Rozbieżność wiązki zmniejsza się ze wzrostem średnicy przetrwalnika .

Ogniskowanie wiązki - w celu poprawienia jakości odwzorowania i powiększenia kątowej zdolności rozdzielczej , używa się wiązek zogniskowanych . Zogniskowania dokonuje się za pomocą układów elektronicznych , soczewek i zwierciadeł akustycznych bądź poprzez nadanie przetwornikowi odpowiedniego kształtu .

Zdolność rozdzielcza - im lepsza ,tym lepsza jakość obrazu, lepsze odwzorowanie badanych struktur, ostrość oglądanych struktur . Zdolność rozdzielcza liniowa - pozwala na rozróżnienie dwóch punktów leżących w osi wiązki , kątowa- daje rozróżnienie dwóch punktów leżących w jednakowej odległości osiowej od przetwornika lecz usytuowanych w różnych kierunkach.

Rodzaje prezentacji obrazu :

Wizualizacja statyczna - obraz uzyskuje się przez ręczne prowadzenie głowicy ultradźwiękowej

Metoda dopplerowska - metoda ta oprócz powyższego obrazu , wykorzystuje dodatkowa informację zakodowaną w postaci zmian częstotliwości fali odbitej względem nadanej - zjawisko Dopplera .

Efekty biologiczne oddziaływania ultradźwięków

- nie został jeszcze dobrze poznany ale stwierdzone że zależne są :

Od czasu trwania ekspozycji

Od wartości natężenia fali ultradźwiękowej

Ze względów medycznych ultradźwięki dzieli się w zależności od natężenia na :

- małe -powodujące przyspieszenie procesów wymiany , niewielkie nagrzanie i mikromasaż - USG i terapia ultradźwiękowa

- średnie - odwracalne procesy ucisku , szczególnie tkanki nerwowej , czas powrotu do stanu normalnego zależy od natężenia i czasu ekspozycji

- duże - procesy nieodwracalne doprowadzające do całkowitego zniszczenia tkanki , cele doświadczalne i lecznicze - chirurgia ultradźwiękowa.

Efekty biologiczne działania fali ultradźwiękowej następują po etapie zmian właściwości fizykochemicznych ośrodka takich jak:

- depolimeryzacji dużych biomolekuł takich jak polisacharydy, poliglikole , białka , DNA znajdujący się pozakomórkowo , kolagen

- zjawiska tiksotropowego tj przejscia żel - zol np. w miozynie , wodnych roztworach skrobii w koloidach protoplazmy.

- wzrostu przewodnictwa elektrycznego

- katalizowania reakcji chemicznych

- zwiększenia pęcznienia np. kolagenu

- przesunięcie pH w stronę zasadową

- inaktywacja enzymów

- wzrost dyfuzji

- tworzenie emulsji

- tworzenie makrorodników

Ultradźwięki powodują śmierć małych zwierząt żyjących w wodzie wpływają również na izolowane komórki , tkanki i bakterie .

Niekorzystna na wzrost populacji komórek jest ich ekspozycja na ultradźwięki w zakresie 1-4 Hz. A przy większych natężeniach powoduje ich cytolizę i śmierć.

Małe , terapeutyczne natężenia powodują uszkodzenie lizosomów komórek naskórka , zmianę przepuszczalności błon komórkowych i wzrost szybkości dyfuzji.( korzystne są one w terapii , w diagnostyce nie ).

Reakcje poszczególnych tkanek mogą być zróżnicowane np. w wątrobie ciepło nie powoduje żadnych zmian , natomiast w tkance kostnej prowadzi do ograniczenia przepływu krwi .

W badaniach na zarodkach kurzych okazało się że ultradźwięki działające w trakcie organogenezy mogą być przyczyna zniekształceń płodów .Po ukończonej organogenezie fale ultradźwiękowe nie mają już powyższego niekorzystnego wpływu .

Działanie fali ultradźwiękowej może wywołać następujące skutki biologiczne :

- zahamowanie rozwoju płodu

- zmniejszenie odporności

- obumieranie komórki

- działanie teratogenne

- zmniejszenie możliwości reprodukcji

- wymianę chromatyd siostrzanych i wynikające stąd konsekwencje genetyczne .

Powyższe skutki odnoszą się do warunków in vitro i często nie znajdują odniesienia do wyników uzyskanych w doświadczeniach in vivo . U ludzi nie stwierdzono działania ubocznego.

Rezonans magnetyczny

Ćwiczenia transport przez błony

Każda komórka otoczona jest błoną komórkową - rodzajem granicy , która pozwala na zachowanie integralności komórki przez zachowanie charakterystycznego dla niej składu chemicznego , różniącego się często w sposób istotny od składu chemicznego jej otoczenia. Błona jest z tzw rodzaju błon o wybiórczej przepuszczalności określonych substancji . Ponadto przepuszczalność błony podlega procesom regulacji i może ulegać zmianom pod wpływem określonych bodźców chemicznych bądź elektrycznych.

Skład chemiczny błon to w 40% białka i 60 % li[idy. Proporcje te są różne i zależą od pełnionej przez komórkę a tym samym błonę komórkową funkcji ( w błonie mielinowej jest np. 25% białek suchej jej masy , w innych dochodzi do 75%). Charakterystycznym elementem budowy błony komórkowej są widoczne w mikroskopie elektronowym dwie gęste warstwy silnie oddziaływujące na elektrony , przedzielone mniej gęstą ,która słabiej rozprasza elektrony. Lipidy budujące błonę to pochodne cząsteczki glicerolu. Charakterystyczna cechą związków lipidowych jest amfofilność czyli dwojaki sposób wiązania się z wodą. Najbardziej liczne są fosfolipidy które w środowisku wodnym spontanicznie tworzą warstwę podwójną lipidową a jej cząstki pojedyncze swobodnie mogą poruszać się wzdłuż błony , wirują dookoła swoich długich osi a ich łańcuchy węglowodorowe wykazują dużą giętkość stąd błona podlega licznym fluktuacją. Płynność błony zależy od jej składu i temperatury otoczenia .

Obniżenie temperatury powoduje przejście w stan żelu lub stan krystaliczny. Temperatura zmiany fazy błony zależy od długości łańcuchów węglowodorowych , jest niższa gdy łańcuchy są krótsze i wyższa gdy łańcuchy są dłuższe. Na płynność, usztywnienie i przepuszczalność błony wpływa ilość cząsteczek cholesterolu.

Opisuje się że błona komórkowa ma charakterystyczny model mozaikowy Podwójna warstwa lipidowa o charakterystycznej dla niej strukturze wyróżnia polarne łańcuchy lipidowe ( hydrofobowe ogony) skierowane do wnętrza błony tworząc jej hydrofobowe wnętrze , natomiast fragmenty posiadające elektryczny model dipolowy ( hydrofilowe główki ) skierowane są na zewnątrz błony w kierunku środowiska wodnego. Z tak utworzoną matrycą związane są białka - błonowe .

Dzielą się one na białka - peryferyjne - powierzchniowe i

-integralne - transbłonowe , przenikające poprzez błonę .

Białka błonowe pełnia kluczową rolę w funkcjonowaniu komórki : są odpowiedzialne za -wybiórczy transport , tworząc system kanałów jonowych i system transportu wbrew istniejącym bodźcom termodynamicznym ( pompa sodowo-potasowa) pełnią też rolę

-receptorów neuroprzekaźników i

- antygenów

O przepuszczalności bony komórkowej oprócz struktury samej błony , decydują właściwości fizyczne dyfundujących przez nie cząsteczek w głównej mierze właściwości elektryczne i oraz ich rozmiary .

Czastki pozbawione momentu dipolowego - polarne dyfundują znacznie łatwiej ( O2, CO2, ) - błona jest dla nich przepuszczalna , podobnie małe polarne cząstki jak woda etanol, mocznik Cząstki naładowane niezależnie od wielkości przenikają znacznie gorzej W odróżnieniu od błon sztucznych , błony komórkowe muszą mieć zdolność do przepuszczania ( i to w sposób wybiórczy ) również cząstki związków polarnych takich jak cukry , aminokwasy, nukleotydy, oraz jony organiczne.

Transport ten jest dokonywany za pomocą wyspecjalizowanych struktur białkowych , z których każda jest odpowiedzialna za transport określonych jonów i cząsteczek.

Klasyfikacja procesów transportu

Transport wymaga zadziałania bodźców termodynamicznych :

- różnica stężeń

- różnica potencjałów elektrycznych wewnątrz i na zewnątrz błony komórkowej

- różnica ciśnień hydrostatycznych

- różnica ciśnień osmotycznych

Mogą występować samodzielnie bądź łącznie tworząc bodziec wypadkowy np. różnica potencjałów elektrochemicznych . Sama różnica bodźców nie decyduje o przenikaniu cząsteczek , ale różnica w odniesieniu do grubości przestrzennej bariery - błony komórkowej i zależność nazywa się gradientem.

Jeżeli transport odbywa się zgodnie z istniejącym gradientem bez nakładu energii wówczas jest to transport bierny w jego wyniku entropia układu rośnie - zanika bodiec termodynamiczny , co w rezultacie prowadzi do śmierci komórki . Muszą istnieć sposoby podtrzymania bodźców , to znaczy transport substancji w kierunku przeciwnym niż kierunek narzucony przez istniejące bodźce.

Proces taki nie może istnieć samoistnie i wymaga nakładu energii i pośrednictwa białek transportujących . Transport wbrew bodźcom nazywa się transportem aktywnym .

Transport aktywny dzieli się na transport aktywny pierwszego rodzaju - potrzebna jest hydroliza ATP

Transport aktywny drugiego rodzaju gdy wykorzystana jest hydroliza ATP oraz nośnik białkowy

Białka pośredniczące w transporcie przez błonę:

- białka przenoszące - nośniki - transport na nośnikach - dochodzi do zmiany konformacji przestrzennej białka , co wymaga energii, transport czynny

- białka tworzące kanały lub pory - ułatwiające przechodzenie - zwany też dyfuzją ułatwioną . Przez kanały te substancje przechodzą w sposób bierny zgodnie z zadziałaniem odpowiednich bodźców , nie wymaga energii.

Bardzo istotne jest w jakim polu elektrycznym i o jakim nasileniu znajdzie się białko i na ile pole to zmieni jego konformacje, wydolność transportu . Źródłem pola elektrycznego zmieniającego konformacje białka transportującego jest różnica potencjałów elektrycznych występujących wewnątrz i na zewnątrz komórki wynikająca z rozkładu jonów wewnątrz i zewnątrzkomórkowych . .

Charakterystyka transportu biernego i aktywnego

Transport bierny :

-prosta dyfuzja , nie wymaga energii i białka transportującego, strumień przenoszonej substancji jest wprost proporcjonalny do gradientu stężenia

- dyfuzja ułatwiona - za pośrednictwem białek tworzących kanały i pory i ich ilość jest ograniczona stąd ilość transportowanych substancji jest również ograniczona .

Transport aktywny :

Podstawowy model aktywnego transportu za pomocą nośników zakłada że związanie przez białko przenoszące transportowanej substancji powoduje zmianie konformacji ośnika w taki sposób że początkowo wiążące miejsce na nośniku znajduje się po jednej stronie błony , a następnie po zmianie konformacji , po jej drugiej stronie.

Ponadto powinowactwo chemiczne miejsca wiążącego na nośniku dla wiązanej substancji jest inne gdy miejsce to ma kontakt ze środowiskiem wewnątrzkomórkowym i inne gdy ma ono kontakt ze środowiskiem zewnątrzkomórkowym . Powinowactwo nadaje kierunek przenoszenia bo odbywa się ono z obszaru gdzie powinowactwo chemiczne nośnika do przenoszenia molekuły jest wyższe do obszaru gdzie jest ono niższe . Rolą energii w tym procesie jest utrzymanie różnicy powinowactwa chemicznego nośnika po obu stronach błony. Jeśli źródłem energii jest rozpad ATP to proces jest kwalifikowany jako aktywny pierwszego rodzaju np. - pompa Na/K .

Cykl rozpoczyna się

1.- przyłączeniem do fragmentu Na-K-ATPazy , znajdującego się wewnątrz komórki 3 x Na oraz ATP.

2- ATP ulega rozpadowi na ADP i grupę fosforanową pozostającą związaną z fragmentemNa-K-ATPazy = fosforylacja .

3- W wyniku tej reakcji ATPaza ulega konformacji

4- i dzięki temu Na zostaje przeniesiony na zewnątrz komórki i tam uwolniony

5 - następny etap to przyłączenie K do fragmentu Na-K-ATPazy

( K znajduje się na zewnątrz komórki ), towarzyszy temu odłączenie grupy fosforanowej = defosforylacja

6 -Na-K-ATPaza ulega konformacji czego efektem jest przeniesienie K z zewnątrz komórki do wewnątrz komórki i tam uwolniony.

7- Na-K-ATPaza przyjmuje swój pierwotny kształt i staje się gotowa do rozpoczęcia następnego cyklu..

Transport aktywny drugiego rodzaju

Utrzymywanie gradientu stężeń wbrew zmniejszającej go dyfuzji wymaga nakładu energii . Zatem w wyniku transportu aktywnego pierwszego rodzaju energia jest gromadzona w formie różnicy stężeń i może zostać uwolniona , gdy strumień substancji przepływa w kierunku od stężenia większego do mniejszego. W tym sensie gradient stężenia określonych jonów stanowić może źródło energii.

Jeśli z biernym przepływem jonów ( uprzednie aktywnie przetransportowanych) sprzężony zostanie transport innej substancji w kierunku od obszaru , gdzie jej stężenia jest mniejsze do obszaru gdzie jest większe to tego rodzaju transport klasyfikowany jest jako transport aktywny drugiego rodzaju. Przykładem jest transport cukrów i kwasów nukleinowych z Na ze światła jelita do komórek nabłonka jelitowego . Transport glukozy ze światła jelita do komórek nabłonka jelitowego rośnie wraz ze stężeniem Na w świetle jelita .

Białko transportujące glukozę ma miejsca wiążące zarówno dla glukozy jak i dla Na.

Czy dojdzie do konformacji białka nośnika tak by przyłączyć glukozę zależy od stężenia Na i czy Na i glukoza zostaną przyłączone równocześnie.

Rola transportu aktywnego w regulacji ciśnienia osmotycznego

Pompa Na/K wyprowadza z wnętrza komórki 3 jony Na i wprowadza do komórki 2 jony K. Powoduje wypadkowy przepływ prądu w błonie komórkowej wytwarzając różnicę potencjałów elektrycznych między wewnętrzną a zewnętrzną częścią błony komórkowej.

Jest to jednak niewielki wpływ na powstanie potencjału błonowego.

Pompa odgrywa zasadnicze znaczenie w utrzymaniu odpowiedniej wartości ciśnienia osmotycznego poprzez wprowadzanie i wyprowadzanie jonów Na i K . Ciśnienie osmotyczne decyduje o rozmiarach komórki o ich pęcznieniu i ewentualnym rozrywaniu błon komórkowych .

Dynamika procesów transportowych

O szybkości transporty decyduje

- budowa,

-rodzaj błony komórkowej ,

- wielkość przepuszczalności dla danej substancji,

- wartość bodźców wywołujących transport,

-ilość nośników białkowych.

Gdy przepuszczalność jest duża to wyrównywanie stężeń zachodzi szybko.

Na szybkość transportu błonowego wpływają antybiotyki , znacznie ograniczając lub całkowicie blokując go niszczą drobnoustroje .

Potencjał spoczynkowy

Cytoplazma , podobnie jak płyn pozakomórkowy , jest w swojej objętości elektrycznie obojętna, to znaczy zawiera jednakową ilość jonów dodatnich i ujemnych . Tylko w obszarze o grubości 1 mikrona wokół błony komórkowej istnieje wyraźna warstwa ładunków ujemnych wewnątrz komórki i warstwa ładunków dodatnich na zewnątrz. Ten nieznaczny nadmiar ładunków po jednej i po drugiej stronie wytwarza różnice potencjałów elektrycznych w poprzek błony komórkowej. Na zewnątrz komórki Na i Cl wewnątrz komórki K i aniony organiczne A.W utrzymaniu potencjału spoczynkowego błony komórkowej konkurują: gradient stężeń napędzający dyfuzje jonów K z komórki i różnica potencjałów elektrycznych hamująca ją. Potencjał elektryczny wzrasta do chwili wyrównania jego wpływu z wpływem gradientu stężenia . zatrzymanie dyfuzji jest gdy potencjał elektryczny błony wynosi -75nV. Jest to potencjał równowagi a tym samym potencjał spoczynkowy tej komórki. Aby komórka zachowała stałą wartość potencjału spoczynkowego , musi utrzymać niezmienne stężenie jonów w jej wnętrzu i i stały rozkład ładunków po obu stronach błony.

Oznacza to że strumień jonów wpływających i wypływających musza być dokładnie zrównoważone W przeciwnym razie zanikł by gradient stężeń. Zapobiega temu pompa jonowa Na/K Wykorzystując energię z hydrolizy ATP , pompuje jony zgodnie z ich gradientami. Zatrzymanie pompy Na/K prowadzi do powolnego zaniku potencjału spoczynkowego.

Można stwierdzić że potencjał spoczynkowy jest uzależniony od 3 jonów K,Na, Cl. Jony Cl SA w stanie równowagi , ponieważ jednakowe strumienie ich wpływają i wypływają z komórki co oznacza że nie wpływają na wartość potencjału spoczynkowego. Jony Na i K na zewnątrz i wewnątrz komórki są odpowiednio blisko siebie co do wartości to jony K wywierają największy wpływ na potencjał spoczynkowy , ponieważ dla nich błona komórkowa ma największą przepuszczalność. .

Ćwiczenia z biofizyki 12.12.2008. Termodynamika

Pojęcia i definicje

1. Reakcja o ujemnym bilansie energetycznym (w której układ re­agujący pochłania energię z otoczenia) jest nazywana reakcją endoenergetyczną.

2. Reakcja o dodatnim bilansie energetycznym (w której układ re­agujący wydziela energię do otoczenia) nazywa się reakcją egzo-energetyczną.

3. Układ reagujący oznacza dowolny wyodrębniony zbiór substancji,których przemiany badamy. W skład układu wchodzi także prze­strzeń, w której znajduje się ten układ. Otoczeniem jest wszystko,co nie należy do układu.

4. Praca i ciepło to formy przekazywania energii. Praca polega na przekazywaniu uporządkowanego ruchu między obiektami mate­rialnymi. Ciepło polega na wymianie energii między chaotycznie zderzającymi się cząstkami. Przepływ ciepła wymaga różnicy tem­
   peratur.

5. Energia wewnętrzna U stanowi sumę wszystkich rodzajów energii wszystkich cząstek wchodzących w skład układu.

6. Pierwsza zasada termodynamiki przedstawiona w formie prawa zachowania energii: W układzie izolowanym energia może prze­chodzić z jednej formy w inną, ale jej całkowita ilość jest stała.

7. Pierwsza zasada termodynamiki w odniesieniu do zmian energii wewnętrznej: Zmiana energii wewnętrznej układu AU jest sumą ilości energii wymienianej z otoczeniem w postaci ciepła Q i pracy W: AU = Q + W.

8. Entalpia H jest funkcją stanu definiowaną jako suma energii we­wnętrznej układu oraz iloczynu jego ciśnienia i objętości. Zmiana entalpii AH odpowiada ciepłu przemiany zachodzącej w układzie, np. ciepłu reakcji chemicznej.

9. Przyjęto umownie, że entalpia wszystkich pierwiastków w warun­kach standardowych jest równa zeru. Zmiana entalpii (czyli efekt cieplny), która towarzyszy syntezie jednego mola związku z pier­wiastków w warunkach standardowych, nazywa się ciepłem two­rzenia lub standardową entalpią tworzenia związku chemicznego i jest oznaczana symbolem AH%₉₈.

10. Prawo Hessa:

Efekt cieplny procesu izobarycznego nie zależy od tego, czy pro­ces przebiega bezpośrednio od stanu początkowego do końcowe­go, czy przez dowolną liczbę stanów pośrednich. Praktyczne za­stosowanie prawa Hessa umożliwia obliczenie ciepła tworzenia właściwie każdego związku chemicznego, czyli obliczenie ciepła każdej reakcji chemicznej.

11. Ciepło molowe substancji to iloczyn jej ciepła właściwego i masy molowej. Liczbowo jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednego mola tej substancji o jeden stopień. Ciepło nie jest funkcją stanu (zależy od sposobu przemiany). Rozróżniamy więc ciepło molowe w stałej objętości C_v i ciepło molowe pod stałym ciśnie­niem C w zależności od tego, czy ogrzewanie substancji zachodzi w warunkach izochorycznych, czy w warunkach izobarycznych.

12. Reguła Lavoisiera-Laplace'a:

Ciepło rozkładu związku na prostsze składniki jest równe ciepłu tworzenia związku z tych składników.

13. Efekt cieplny reakcji spalania (czyli entalpia spalania lub ciepło spalania) jest równy różnicy między ciepłem tworzenia produk­tów a ciepłem tworzenia substratów reakcji.

14. Entropia jest miarą nieuporządkowania układu albo miarą stop­nia uśrednienia układu. Pośrednio charakteryzuje strukturę układu.

15. Druga zasada termodynamiki:

W układach izolowanych (czyli w układach o stałej energii) pro­cesy samorzutne są nieodwracalne i związane ze wzrostem entro­pii. We wszechświecie jako całości entropia zawsze rośnie.

16. Entalpia swobodna jest funkcją stanu definiowaną jako suma efektu energetycznego i efektu entropowego reakcji. Znak zmia­ny entalpii swobodnej pozwala wnioskować o możliwościach zaj­ścia przemiany.

17. Energia aktywacji to ilość energii potrzebna do wytworzenia z sub­stratów kompleksu aktywnego zdolnego do przejścia w produkty.

18. Układy składające się z jednej fazy, w których wszystkie substraty i produkty mają jednakowy stan skupienia, nazywamy układa­mi jednorodnymi (homogenicznymi). Układy składające się z co najmniej dwóch faz przedzielonych wyraźnie widoczną granicą
    nazywamy niejednorodnymi (heterogenicznymi).

19. Katalizatory to substancje, które zmieniają szybkość reakcji che­micznych i same się przy tym nie zmieniają. Działanie katalizatora polega na zmianie wartości energii aktywacji reakcji.

21. Katalizator dodatni obniża energię aktywacji i sprawia, że więk­sza liczba cząsteczek jest zdolna do wejścia w reakcję. Wzrasta więc szybkość reakcji. Katalizator ujemny (inhibitor) podwyższa energię aktywacji i zmniejsza szybkość reakcji.

21. Autokataliza polega na tym, że jeden z powstających produktów pełni rolę katalizatora zachodzących reakcji

Pierwsza zasada termodynamiki jako zasada zachowania energii , powinna być zachowana także w procesach biologicznych .

Organizm żywy do utrzymania procesów życiowych potrzebuje energii .

Energia jest konieczna zarówno do zachowania struktury substancji żywej, jak i do wykonywania wielorakich czynności .

W organizmach wyżej zorganizowanych energia wyzwala się w procesach utleniania produktów pokarmowych . Procesy te zachodzą w przybliżeniu w stałej temperaturze i przy stałym ciśnieniu , więc miarą energii , którą organizm dysponuje do wykonywania wielorakich czynności , jest w zasadzie - zmiana entalpii swobodnej. , pochodząca z utlenienia produktów pokarmowych

Biotermodynamika jest dyscypliną naukową wykorzystującą rozważania termodynamiki fenomenologicznej lub termodynamiki statystycznej do opisu procesów albo zjawisk zachodzących w żywych układach biologicznych .

Termodynamika fenomenologiczna ( TF) zajmuje się badaniem zjawisk i właściwości układów makroskopowych , jednakże bez wnikania w strukturę mikroskopową tych układów . W opisie termodynamicznym ogromnych ilości oddziaływujących mikrocząsteczek uwzględnia się właściwości , które można zaobserwować na poziomie makroskopowym .

Termodynamika statystyczna ( TS) zajmuje się opisem właściwości struktur ikroskopowych , stanowiący układ makroskopowy. W ten sposób uzupełnia i uzasadnia termodynamikę fenomenologiczną .

TS wiąże parametry makroskopowe układu z jego strukturą mikroskopową . Jednak identyczne makroskopowo układy mogą być istotnie różne w opisie mikroskopowym .

Biotermodynamika umożliwia lepsze poznanie zjawisk życiowych zarówno w stanie zdrowia jak i w stania chorobowym .

Organizmy żywe w znaczeniu termodynamicznym są układami otwartymi , w których zachodzą procesy nieodwracalne . Towarzyszą im transporty substancji , energii, i ładunków elektrycznych stanowiących podstawę procesów życiowych .

Układ żywy dąży do znalezienia się w tak zwanym stanie stacjonarnym sprzyjającym życiu.

Biotermodynamika pozwala na zrozumienie takich istotnych funkcji organizmu żywego jak : transport aktywny i bierny, powstawanie potencjałów bioelektrycznych , transport sprzężony, transport energii w procesach metabolicznych itd.

Biotermodynamika jest w kręgu nauk podstawowych w kształceniu biofizyków , biologów , medyków , chemików , fizyków medycznych.

Pojęcia podstawowe dotyczące układów i procesów termodynamicznych

- Układ termodynamiczny stanowi część przestrzeni materialnej , będącej przedmiotem rozważań . pozostała część przestrzeni to otoczenie .

Układ termodynamiczny jest oddzielony od otoczenia rzeczywistą lub abstrakcyjną przestrzenia materialną. Ze względu na brzeg przestrzeni materialnej rozróżnia się 3 typy ukł term-dyn:

1. układ izolowany - brzeg układy ma takie właściwości , że uniemożliwia wymianę materii i energii pomiędzy układem a otoczeniem

2. układ zamknięty - następuje wymiana energii pomiędzy układem a otoczeniem , nie występuje wymiana materii

3. układ otwarty - dochodzi wymiana materii jak i energii między układem a otoczeniem.

Dzieli się na : - pierwszego typu dotyczy układów w stanach zbliżonych do stanów równowagi term-dy, i układ podległy tzw prawom liniowej termodynamiki procesów nie odwracalnych.

- drugiego typu charakteryzuje się tym że prędkość dopływającej do układu całkowitej energii nie jest większa od prędkości rozpraszania ( termodynamika nieliniowa)

- trzeciego typu prędkość dopływu całkowitej energii jest większa od prędkości dyssypacji energii ( termodynamika liniowa lub nieliniowa)

Układ termodynamiczny może być homogeniczny ( jednofazowy) , jeżeli makroskopowe właściwości fizykochemiczne w różnych miejscach układu są jednakowe lub heterogeniczny ( wielofazowy ), jeżeli w pewnych częściach układu ( faz) następuje nieciągła zmiana wartości przynajmniej jednej właściwości fizykochemicznej układu.

Stan układu określają pewne wielkości fizyczne nazywane funkcjami stanu

Funkcje stanu maja te właściwość , że ich zmiana równa się różnicy wartości funkcji w stanie końcowym i początkowym , nie zależy natomiast od sposobu w jaki zmiana została wykonana .

Do funkcji stanu zalicza się : energię wewnętrzną , entalpię, entropię, energię swobodną , entalpie swobodną , ,potencjał chemiczny.

-Funkcje stanu powiązane są różnymi zależnościami z wielkościami fizycznymi nazywanymi parametrami stanu : temperatura , objętość , ciśnienie , masę .

Warunków nałożonych na funkcje stanów nie spełnia zarówno praca , jak ciepło

Parametry termodynamiczne układu to : parametry stanu + funkcji stanu

Parametry termodynamiczne dzieli się na :

- parametry intensywne - niezależne od wielkości układu term-dyn

- parametry ekstensywne - zależą od wielkości układu

Układ termodynamiczny jest w stanie równowagi jeżeli parametry termodynamiczne określające jego stan nie zmieniają się w czasie.

Zmiana parametrów powoduje że układ z jednego stanu równowagi może przejść do innego stanu równowagi i jest to proces termodynamiczny.

Rodzaje procesów termodynamicznych :

Odwracalne - jeżeli może zachodzić zarówno w pewnym kierunku jak i w kierunku przeciwnym , a wracając do stanu wyjściowego nie pozostawia zmian w otoczeniu np. ( proces kołowy , quasi- statyczne)

Po procesie kołowym układ wraca do stanu wyjściowego , wartość funkcji stanu się nie zmienia . Jedną z funkcji stanu jest energia wewnętrzna , związana jest z nieuporządkowanym ruchem elementów strukturalnych układu . równa jest sumie energii kinetycznej oraz potencjalnej wzajemnego oddziaływania składowych elementów układu . Układ mając energię może jej część w odpowiednich warunkach przekazać innemu układowi albo przez wykonanie pracy albo przez przekazanie ciepła .

Określenie tych warunków jest jednym z zadań termodynamiki

W odróżnieniu od energii ani praca ani ciepło nie są funkcjami stanu

O pracy mówimy wtedy gdy ciało , ulega przemieszczeniu pod działaniem siły , wszystkie cząstki ciała odbywają wtedy ruch uporządkowany w kierunku przemieszczenia

O cieple mówimy , jeżeli jedno ciało przekazuje drugiemu energię nieuporządkowanego ruchu cząsteczkowego. Bodźcem do przekazywania energii jest wtedy w zasadzie różnica temperatur . Ilość ciepła mierzy się ilością energii przekazanej w postaci ruchu cząsteczkowego .- mówimy przekazywaniu ciepła.

Praca i ciepło , nie będąc funkcjami stanu , nie charakteryzują stanu układu , lecz charakteryzują przebieg procesu - sposób przekazywania energii . Wartość pracy lub ilość ciepła zależą od sposobu przeprowadzenia układu z jednego stanu do drugiego.

Energia wewnętrzna , praca , ciepło wyrażają się w tych samych jednostkach - dżulach (J)

Proces jest statyczny , jeżeli odchylenie układu od stanu równowagi jest bardzo małe , tak że nie zostaje naruszona równowaga z otoczeniem .Może on być w każdej chwili odwrócony , przebiega nieskończenie powoli i ma głównie znaczenie teoretyczne.

Procesy makroskopowe zachodzące w biologicznych układach termodynamicznych są procesami nieodwracalnymi .Polegają one głównie na przemieszczeniu się materii , energii i ładunków elektrycznych , czyli polegają na przepływach .

Transport w układzie możliwy jest dzięki istnieniu tak zwanych bodźców termodynamicznych . - różnica ciśnień powoduje przepływ gazu i cieczy, różnica temperatury warunkuje przepływ ciepła , różnica potencjałów elektrycznych odpowiedzialna jest za przepływ ładunków elektrycznych.

Istniejące w układzie termodynamicznym bodźce tworzą pewien rodzaj uporządkowania charakteryzujący stan tego układu.

Można stwierdzić , że przepływy działają samoniszcząco , ponieważ niszczą bodźce , które są ich przyczyną . Procesy nieodwracalne prowadzą układ od stanu bardziej zorganizowanego do mniej zorganizowanego tak długo , aż znajdzie się on w stanie równowagi ( przepływy ustaną ).

Stan równowagi dla układów biologicznych oznacza stan ich śmierci . Stan życia jest związany ze stanem stacjonarnym w jakim powinien się znajdować dany układ biotermodynamiczny.

Energia wewnętrzna może być przekazywana od jednego układu do drugiego w procesie wykonywania pracy lub przekazywania ciepła . Proces ten musi przebiegać zgodnie z zasadą zachowania energii - wyraża to I zasada termodynamiki przyrost energii wewnętrznej układu jest równy sumie dostarczonego mu ciepła Q i dostarczonej W

Przy dostarczeniu układowi ciepła przyrost energii wewnętrznej może być różny , w zależności od tego czy procesowi towarzyszy wykonywanie pracy , czy też nie .

Jeżeli do gazu doprowadzi się ilość ciepła Q , przy stałej objętości , izochorycznie, nie wykonuje on pracy .

Podczas izobarycznego ogrzewania gazu , przy stałym ciśnieniu , temperatura gazu wzrosła , zwiększyła się jego objętość i gaz wykonał pracę objętościową .

Podczas procesu izobarycznego ciepło dostarczone układowi zużywa się na powiększenie jego energii wewnętrznej , orz na wykonanie pracy objętościowej - proces ten zwany jest entalpią.

Przyrost entalpii jest równy ilości ciepła dostarczonego układowi w procesie izobarycznym . Tak jak przyrost energii wewnętrznej jest równy ilości ciepła dostarczonego układowi w procesie izochorycznym.

Ciepło które układ wymienia z otoczeniem , odgrywa szczególna rolę w reakcjach chemicznych . Ciepło to zależy od tego czy reakcja zachodzi izochoryczne czy izobarycznie

Reakcja egzotermiczna - układ oddaje energie do otoczenia

Reakcja endotermiczna - układ pobiera energie z otoczenia .

Pierwsza zasada termodynamiki w procesach biologicznych,

jako zasada zachowania energii , powinna być zachowana także w procesach biologicznych . Organizm żywy do utrzymania procesów życiowych potrzebuje energii. Energia jest konieczna zarówno do zachowania struktury substancji żywej jak i do wykonania wielorakich czynności .

W organizmach wyżej zorganizowanych ( heterotrofach) energia wyzwala się w procesach utleniania produktów pokarmowych procesy te przebiegaja w przybliżeniu w stałej temperaturze i przy stały ciśnieniu , więc miara energii , którą organizm dysponuje do wykonania wielorakich czynności jest w zasadzie zmiana entalpii swobodnej ( pochodząca z utleniania procesów pokarmowych , jeżeli procesy zachodzą odwracalnie .

Tak jednak nie jest . Kosztem entalpii pochodzącej z utlenienia substancji odżywczych organizm wykonuje prace wewnętrzna i zewnętrzną . Praca zewnętrzna jest równa pracy wykonanej kosztem wysiłku mięśniowego . Na prace wewnętrzna składają się wielorakie składniki , takie jak procesy chemiczne , prace związane z transportem przez błony wbrew gradiantom stężeniowym i elektrycznym , z krążeniem , z oddychaniem , trawieniem , fikcją , defekacja .

Praca wewnętrzna wiąże się z pokonywaniem oporów ( tarcie ), i w końcowym efekcie przemienia się w ciepło W=Q zwane ciepłem metabolicznym .

Jeżeli organizm nie wykonuje pracy zewnętrznej cała pobrana energia jest równa ciepłu produkowanemu w organiźmie.

Aby uniknąć przegrzania ciepło to musi być oddane otoczeniu . Organizm utrzymuje stałą temperaturę ( homojotermia ) , jeżeli ilość ciepła oddawanego w jednostce czasu , czyli moc jest równa ilości ciepła oddawanego w jednostce czasu do otoczenia . czyli moc oddawanej w formie ciepła .

Ciepło oddawane przez organizm do otoczenia można zmierzyć kalorymetrem. Obiekt badany jest w komorze o możliwie dokładnej izolacji . Ilość ciepła wytwarzaną w komorze mierzy się ilościa ciepła pobraną przez wodę przepływajaca przez system rur . Pomiaru można dokonać dla organizmu będącego zarówno w stanie spoczynku jak i podczas wykonywania pracy fizycznej . Ilość wykonannej pracy można zmierzyć za pomocą cykloergometru - urządzenie przypominające rower ////////

Za pomocą pedałowania wprowadza się w ruch obrotowy okrągłą płytę metalową . Płyta obraca się między biegunami elektromagnesu , w płycie tej zostaje indukowane prądy Foucaulta , to wiąże się z powstaniem sił elektrodynamicznych , hamujących ruch tarczy . Pokonanie tych sił wymaga wykonanie pracy. Odpowiednio wycechowany cykloergometr pozwala zmierzyć pracę wykonaną podczas pedałowania.

Aby zmierzyć energię , którą organizm otrzymuje , należy zmierzyć energię którą organizm pobrał w procesach metabolizmu produktów pokarmowych . ciepło spalania produktów pokarmowych mierzy się za pomocą bomb kalorymetrycznych

Kalorymetr - respiracyjny pozwala zmierzyć zarówno ilość zużytego przez organizm tlenu jak i ilość wydalonego CO2 . Wiedząc ile tlenu zużywa się na spalanie określonej ilości węglowodanów , białek i tłuszczów , względnie ile w tych procesach powinno powstać CO2 , można obliczyć ciepło metabolizmu. . Porównując wyniki otrzymane w pomiarach kalorymetrycznych ( kalorymetria bezpośrednia ) z wynikami uzyskanymi z obliczeń ciepła spalania , otrzymuje się wyniki zgodne .

Badania porównawcze , pozwoliły wykazać że organizmy żywe wykorzystuja całkowicie ciepło spalania węglowodanów i tłuszczów . Natomiast białka nie są całkowicie wykorzystane , białka w organizmie nie spalają się bez reszty . Część energii jest wydalana z substancjami nie będącymi końcowymi produktami utleniania , np. z mocznikiem .

Pomiar ciepła za pomocą kalorymetrii bezpośredniej jest trudny , dlatego preferowany jest pomiar ciepła kalorymetrią pośrednią polegającą na pomiarze ilości pobieranego ciepła i wydalanego CO2 . Badany oddycha przez ustnik lub maskę z odpowiednimi zaworami , pozwalającymi oddzielić powietrze wdychane od wydychanego . Obliczanie na tej podstawie ilości ciepła wymaga znajomości składu pokarmu który został poddany trawieniu i spaleniu. Pewną orientację daje tzw iloraz oddechowy ( stosunek objętości wydalonego CO2 do pobranego O2. Dla węglowodanów wynosi 1 , dla tłuszczów 0,7, dla białek 0,83 .

Pomiary kalorymetryczne ( bezpośrednie i pośrednie ) pozwalają zmierzyć podstawową przemianę materii. - najmniejszą moc energii jaką organizm potrzebuje do utrzymania procesów życiowych , będąc całkowicie w spoczynku.

Przemiana podstawowa określana jest jako podstawowa prędkość metabolizmu. Ma miejsce wówczas gdy żywy organizm , pozbawiony pokarmu przebywa w temperaturze zewnętrznej , mieszczącej się w strefie termonaturalnej. Ilość ciepła wydzielona w przemianie podstawowej służy do podtrzymania procesów życiowych organizmu oraz wiąże się ze spoczynkową czynnością wszystkich komórek i narządów .

Przemiana materii u człowieka i u zwierząt zależy od rozmiarów ciała , wieku, rodzaju wykonywanych czynności i odżywiania . Podstawowa prędkość metabolizmu u zwierząt o podobnych kształtach jest proporcjonalna do pola powierzchni ich ciał .

Pomiary kalorymetryczne pozwalają także na wyznaczenie wydajności z jaką organizm człowieka przekształca energię chemiczną w pracę mechaniczną . Wydajność organizmu wyraża się stosunkiem wykonanej pracy zewnętrznej do zużytej na ten cel energii . Otrzymuje się w ten sposób wydajność w granicach 20-25% . Wydajność wyraziłaby się znacznie mniejszą wartością , gdyby ją obliczyć w stosunku do całkowitej pobranej energii .

Organizm jako maszyna ma tę wyższość nad silnikami cieplnymi , że pracuje przy stosunkowo małej różnicy temperatur. Organizm nie pracuje na zasadzie zmiany na pracę energii przekazywanej na sposób ciepła . Zachodzi w nim przemiana energii chemicznej ( w postaci entalpii swobodnej ) bezpośrednio w pracę , Ciepło jest produktem ubocznym , jako wynik towarzyszących procesów nieodwracalnych.

Druga zasada termodynamiki w procesach biologicznych :

Organizm żywy stanowi układ o bardzo złożonej i wysoko zorganizowanej strukturze .

W okresie rozwoju organizm żywy przyswaja sobie materię i energię z otoczenia oraz potrafi im nadać formę organizacyjną o mniejszej entropii i większej entalpii swobodnej .

Nawet w okresie dojrzałości organizm potrafi utrzymać czy odnawiać wysoką organizację materii i energii . Gdyby organizm żywy był układem zamkniętym jego entropia rosłaby. Jednak szybkość tworzenia się entropii maleje , aż stanie się zerem , kiedy entropia przyjmuje wartość maksymalną układ pozostanie w równowadze statycznej co równoważne jest ze śmiercią . W stanie stacjonarnym stale czynne są procesy nieodwracalne , destrukcyjne , powodujące psucie porządku - tworzące entropię. Tym procesom przeciwstawiają się procesy konstruktywne , związane z wymianą entropii z otoczeniem - zmniejszające entropię. Tak jest bo organizm jest układem otwartym i wymienia entropię z otoczeniem . Np. Pobierając z otoczenia pokarm , substancje wyżej zorganizowane , o mniejszej entropii , a oddając wraz z degradowaną materią i energię więcej entropii do otoczenia , organizm jest w stanie skompensować tworzącą się w nim w procesach nieodwracalnych entropię . Można więc powiedzieć , że życie polega na nieustannej walce z tworzącą się entropią , wrogiem życia .

Stwierdza się doświadczalnie , że młode organizmy w stanie rozwoju oddają więcej ciepła do otoczenia , czyli odznaczają się większą dyssypacją energii niż organizmy dojrzałe . Znaczy to że w stanie rozwoju szybkość tworzenia entropii jest duża , jest wię to miara żywotności organizmu . Stąd wniosek że w celu utrzymania większej żywotności organizmu , , w celu zachowana młodości należy zwiększyć procesy metabolizmu , powodujące zwiększenie produkcji entropii , prowokujące zarazem organizm do zwalczania entropii . Można to uzyskać przede wszystkim przez aktywność fizyczną . Wysiłek fizyczny wzmaga procesy transportu , zwiększając z jednej strony źródło entropii a z drugiej zwiększając zapotrzebowanie na energię i materię w postaci pokarmu .

Utrzymanie organizmu przy życiu jest jednak okupione wzrostem entropii otoczenia . Jeżeli za układ uważać organizm wraz z otoczeniem , będzie to układ izolowany jako całość . Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki entropia w takim układzie może tylko rosnąć - życie tak jak każdy inny proces - zwiększa entropię przyrody .

Więc - w metabolizmie istotne jest to żeby organizmowi udało się uwolnić od tej całej entropii , którą w ciągu swego życia jest zmuszony wyprodukować.

Zasada termodynamiki nierównowagowej .

Organizmy żywe są układami otwartymi i zachodzą w nich procesy nieodwracalne w stanie nierównowagi . Towarzyszą im transporty substancji , energii , ładunku elektrycznego stanowiące podstawę życia.. W układach złożonych , a do takich należą organizmy żywe , transporty są również złożone. Przepływy substancji , energii, ładunku nie są niezależne . Z przepływem substancji może być sprzężony zarówno transport energii , jak i transport ładunku elektrycznego . W ten sposób tworzą się nowe bodźce., zmniejszające entropię dzięki temu układ otwarty może uniknąć znalezienia się w stanie równowagi ( oznaczającym śmierć ) , a znaleźć się w stanie stacjonarnym ( sprzyjającym życiu). Poznawanie tych procesów jest konieczne do zrozumienia wielu fynkci organizmu żywego , takich jak : wymiana substancji między krwią a płynem tkankowym, czynność nerek ( filtracja , ultrafiltracja) powstawanie potencjałów bioelektrycznych, wykorzystywanie energii w procesach metabolicznych i innych ,

W układzie izolowanym za wzrost entropii odpowiedzialne są wyłącznie zachodzące w nim procesy nieodwracalne czyli tworzące entropię.

W układzie otwartym zmiana jego entropii może być spowodowana procesami nieodwracalnymi oraz wymianą entropii z otoczeniem , związanej z wymiana energii czy substancji . Entropia jest wówczas zależna od czasu. Zatem szybkość tworzenia się entropii nie może być ujemna, jest zerem dla procesów odwracalnych , a dodatnia dla nieodwracalnych . Szybkość zmian entropii układu może być dodatnia ( entropia układu zwiększa się ) ujemna ( entropia zmniejsza się ) równa zeru ( entropia nie zmienia się ). Entropie równa zeru jest w układzie stacjonarnym - wówczas rośnie entropia otoczenia .

W stanie stacjonarnym funkcje termodynamiczne układu zachowują stałą wartość w czasie - nie zmienia się ani entropia , ani energia , ani entalpia swobodna .

Funkcje te są również stałe w układzie izolowanym w stanie równowagi.

Różnica między układem stanem stacjonarnym układu otwartego a stanem równowagi układu izolowanego.

W stanie równowagi entropia przyjmuje wartość maksymalną ( energia swobodna minimalną) , a szybkość tworzenia się entropii jest równa zeru

W stanie stacjonarnym w układzie zachodzą procesy tworzące entropię, szybkość tworzenia entropii jest stała i przyjmuje wartość najmniejszą .

Stan stacjonarny wyróżnia się pewną stabilnością .

W układzie znajdującym się w stanie stacjonarnym przy minimum produkcji entropii, przeciwstawiają się sobie dwa rodzaje czynników : destruktywne , wprowadzające nieporządek , drugie konstruktywne związane z procesami wymiany energii i materii .

Tworzą się przepływy sprzężone istniejących bodźców , kompensując w ten sposób tworzącą się entropię . Przykładem tych zjawisk są termodyfuzja (nie tylko różnica stężeń ale również różnica temperatur ma wpływ na kierunek i prędkość ruchu cząstek) i ultrafiltracja ( istnieje błona przepuszczająca wybiórczo cząstki ze względu na różnicę potencjałów chemicznych po obu jej stronach , przemieszczają się one nie tylko ze względu na różnice stężeń ale również różnicę ciśnień hydrostatycznych oraz różnicę ciśnień osmotycznych ).

Oba powyższe zjawiska wykorzystane w hemodializie.

19

---