Wykład 1

1.1Co to jest biofizyka i jakie stawia sobie zadania?

Biofizyka jest nauką przyrodniczą, która bada i opisuje układy biologiczne przy użyciu metod badawczych, zaczerpniętych z fizyki. Zadaniem biofizyki jest specyficzna interpretacja zjawisk życiowych oparta na metodologii wziętej z nauk fizycznych.

Biofizyka zajmuje się:

1.Układami biologicznymi, stawiając sobie za cel poznanie fizycznej struktury tych układów oraz fizycznej interpretacji ich funkcji,

2.Wpływem czynników fizycznych na układy biologiczne oraz ich funkcje.

1.2Podział biofizyki ze względu na hierarchiczność układów biologicznych.

- Biofizyka molekularna

- Biofizyka komórkowa

- Biofizyka tkanek

- Biofizyka narządów

- Biofizyka układów

- Biofizyka organizmów

1.3Jakie są cele nauczania biofizyki w medycynie?

-Dostrzeganie zjawisk fizycznych w organizmie człowieka 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 fizjologicznych zachodzących w układach biologicznych

-Znajomość podstaw fizycznych najnowszych metod obrazowania komórek, tkanek i narządów oraz technik terapeutycznych.

1.4Co to znaczy, że promieniowanie ma naturę falowo-korpuskularną? Jakie zjawiska dadzą się wytłumaczyć na gruncie falowej natury światła, a jakie na gruncie natury korpuskularnej?

Począwszy od lat 1920-tych obowiązuje dwoistość opisu: niektóre zjawiska dotyczące promieniowania wyjaśnić można jedynie na gruncie teorii kwantów. Są to takie efekty jak emisja i absorpcja promieniowania, zjawisko fotoelektryczne, rozpraszanie Comptona, ciśnienie światła. Inne efekty, takie jak dyfrakcja światła, jego interferencja czy polaryzacja z kolei dadzą się wyjaśnić wyłącznie na gruncie teorii falowej. Dwoistość tę nazywamy dualizmem falowo-korpuskularnym promieniowania. Obydwa obrazy nie występują nigdy jednocześnie, w pewnych zjawiskach światło zachowuje się jak fala, w innych jak strumień cząsteczek.

1.5Podaj przykład zjawiska tłumaczonego falową naturą materii?

Odkryte w 1927 r. zjawisko dyfrakcji elektronów, potwierdzające słuszność koncepcji de Broglie'a. Później odkryto również dyfrakcję innych cząstek materii, np. neutronów, jonów wodoru, jonów helu.

Albo interferencja, albo polaryzacja, albo którakolwiek z właściwości promieniowania niepasująca do koncepcji kwantowej.

1.6Co to jest fala de Broglie'a?

Jest to alternatywny w stosunku do klasycznego (czyli korpuskularnego) sposób opisu obiektów materialnych. Według hipotezy de Broglie'a dualizmu korpuskularno-falowego każdy obiekt materialny może być opisywany na dwa sposoby: jako zbiór cząstek albo jako fala. Obserwuje się efekty potwierdzające falową naturę materii w postaci dyfrakcji cząstek elementarnych, a nawet całych jąder atomowych.

Wzór pozwalający wyznaczyć długość fali materii dla cząstki o określonym pędzie ma postać:

gdzie: λ − długość fali cząstki,

h − stała Plancka, p − pęd cząstki.

Korpuskularno-falowa natura materii jest jednym z głównych aspektów mechaniki kwantowej: każdy obiekt materialny może przejawiać naturę falową, co oznacza, że może podlegać zjawiskom dyfrakcji i interferencji.

1.7Podaj zasadę nieoznaczoności Heisenberga.

Nie istnieje możliwość poznania z dowolną dokładnością jednocześnie położenia oraz pędu cząstki. Przedstawia to nierówność:

Δx Δp_x > h

oznaczająca, że im dokładniej poznamy położenie cząstki, czyli im mniejsza jest wartość Δx, tym mniej dokładnie wyznaczymy pęd, czyli tym większa będzie wartość wyrażenia Δp_x.

To samo ograniczenie dotyczy innych par wielkości, np. ΔE Δt > h.

1.8Podaj fizyczne znaczenie kwadratu modułu funkcji falowej w równaniu Schrödingera.

Ruch cząstki materialnej opisać można równaniami fali przestrzennej, przy czym wielkość |ψ_o|² (kwadrat modułu amplitudy fali) wyznacza prawdopodobieństwo znalezienia tej cząstki w pewnym obszarze przestrzeni.

1.9W ilu stanach elektronowych może znajdować się elektron o głównej liczbie kwantowej n=2. Podaj te stany.

n=2, orbitale są 4, elektron może się znajdować w 8 stanach elektronowych

1.10Od czego zależy energia poziomu w przypadku atomu wodoru, a od czego w przypadku atomów wieloelekronowych.

Energia poziomu w przypadku atomu wodoru zależy od głównej liczby kwantowej, a w przypadku atomów wieloelektronowych od głównej i pobocznej liczby kwantowej. W przypadku atomów wieloelektronowych podstawowe poziomy energetyczne są zdegenerowane, to znaczy energia poziomu zależy nie tylko od głównej liczby kwantowej n, jak w przypadku atomu wodoru, ale również od pobocznej liczby kwantowej l.

11. Co to jest orbital wiążący a co antywiążący?

Orbital wiążący - orbital molekularny mający niższą energię niż orbitale, z których powstał, utworzony w wyniku dodatniego nakładania się orbitali dwóch atomów . W sensie fizycznym wzmocnienie, czyli orbital wiążący, opisany równaniem ψ12 = ψ1 + ψ2 oznacza, że gęstość prawdopodobieństwa znalezienia się elektronów pomiędzy jądrami obu atomów A i B jest znacznie większa niż w jakimkolwiek innym miejscu w przestrzeni. Łączny ujemny ładunek elektronów zawarty pomiędzy dodatnio naładowanymi jądrami wiąże je siłami elektrycznymi. Jednocześnie objętość wiążącego orbitalu molekularnego jest większa od objętości orbitali atomowych stabilizując wiązanie energetycznie.

Orbital antywiążący - orbital molekularny, który ma wyższą energię niż orbitale, z których powstał, utworzony w wyniku ujemnego nakładania się orbitali atomowych. ψ*12 = ψ1 - ψ2 oznacza, że gęstość prawdopodobieństwa znalezienia się elektronów pomiędzy jądrami obu atomów A i B jest tak niewielka, że nie jest ona w stanie związać atomów w cząsteczkę.

1.12Czym się różni wiązanie σ (sigma) od wiązania π (pi)?

σ (sigma)	π (pi)
wieksza energia (krótsze) powstaje w wyniku czołowego nakładania się orbitali pojedyncze	mniejsza energia (dłuższe) powstaje w wyniku bocznego nakładania się orbitali wielokrotne

Wykład 2

2.1Jaki charakter mają oddziaływania van der Waalsa i jak się dzielą?

- oddziaływania niespecyficzne (uniwersalne), charakter elektrostatyczny

Oddziaływania van der Waalsa to wzajemne oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy dipolami cząsteczkowymi, pomiędzy cząsteczkami pozbawionymi momentów dipolowych lub atomami (tzw. oddziaływania dyspersyjne). Oddziaływania van der Waalsa są oddziaływaniami międzycząsteczkowymi bliskiego zasięgu. Wyróżnia się:

-Oddziaływania dipol trwały - dipol trwały

-Oddziaływania dipol trwały - dipol indukowany

-oddziaływania dyspersyjne (siły Londona).

2.2Co to jest trwały moment dipolowy? Jaka jest jego miara (wzór)?

Trwały moment dipolowy oznacza permanentną separację ładunków.

Moment dipolowy jest wielkością wektorową, a jego miarą jest iloczyn ładunku i odległości między biegunami dipolu: μ = q l

Moment dipolowy towarzyszy cząsteczkom, w których występuje nierównomierne i niesymetrycznie rozłożony ładunek. Duży wpływ na wielkość momentu dipolowego ma elektroujemność pierwiastków oraz geometria cząsteczki. Moment dipolowy jest wartością wektorową, a cząsteczki posiadające trwały, niezerowy moment dipolowy nazywamy polarnymi.

Moment dipolowy wyraża się w tzw. debajach (1 debaj=1Culomb*1metr)

Oddziaływania dipol trwały-dipol trwały występują pomiędzy cząsteczkami, które posiadają trwały moment dipolowy. Oddziaływania dipol trwały-dipol indukowany mają miejsce wówczas, kiedy tylko jedna z oddziaływujących cząsteczek (cząsteczka dipolowa) posiada trwały moment dipolowy. Natomiast drugą oddziaływującą cząsteczkę charakteryzuje polaryzowalność, to znaczy zdolność separacji ładunków (przemieszczenia chmury elektronowej) pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego.

2.3Wyjaśnij istotę sił dyspersyjnych Londona i podaj przykład ich działania.

Ruch elektronu w przestrzeni ograniczonej wymiarami orbitalu wprowadza lokalne zaburzenia rozkładu ładunków elektrycznych. W wyniku tych fluktuacji ładunku, możemy traktować atom czy cząsteczkę jako dipol zmienny w czasie. Tworzą się chwilowe momenty dipolowe o zmiennej orientacji, które oddziałują na znajdujące się w pobliżu inne niepolarne cząsteczki czy atomy powodując efekt indukcyjny. Przyciąganie się takich chwilowych momentów dipolowych daje oddziaływanie dyspersyjne (Londona).

Ze względu na elektrostatyczny charakter oddziaływań, fizyka klasyczna nie przewiduje sił przyciągania pomiędzy atomami i cząsteczkami, które są niepolarne. A jednak zarówno gazy szlachetne, jak i węglowodory kondensując dają świadectwo istnienia takich sił.

Zawiłość tę wyjaśniła fizyka kwantowa. Ruch elektronu w przestrzeni ograniczonej wymiarami orbitalu wprowadza lokalne zaburzenia rozkładu ładunków elektrycznych. W wyniku tych fluktuacji ładunku, możemy traktować atom czy cząsteczkę jako dipol zmienny w czasie. Tworzą się chwilowe momenty dipolowe o zmiennej orientacji, które oddziaływują na znajdujące się w pobliżu inne niepolarne cząsteczki czy atomy. Oddziaływania te nazywamy siłami dyspersyjnymi Londona.

2.4Podaj trzy przykłady działania wiązania wodorowego.

H - O; H - N; H - Cl, H - F

(W sytuacji, kiedy atom wodoru tworzy wiązanie kowalencyjne z atomem takiego silnie elektroujemnego pierwiastka jak np. tlen azot, chlor czy fluor, para elektronowa tworząca to wiązanie zostaje przesunięta w kierunku atomu elektroujemnego - tworzy się wiązanie spolaryzowane. W tej sytuacji częściowo odsłonięty proton posiada cząstkowy ładunek dodatni, który oddziałuje z ładunkiem ujemnym atomu pierwiastka elektroujemnego, tworząc wiązanie wodorowe.

Wiązanie wodorowe może być wewnątrzcząsteczkowe lub międzycząsteczkowe. Międzycząsteczkowe wiązania wodorowe są odpowiedzialne za

Wiązanie wodorowe jest odpowiedzialne za niezwykłe właściwości wody

-nadmolekularną strukturę oraz właściwości wielu takich związków biologicznie czynnych, jak polipeptydy (białka) czy kwasy nukleinowe.

-za niezwykłe właściwości niektórych tworzyw sztucznych, np.strukturę nadmolekularną aromatycznego poliamidu zwanego Kevlarem, który posiada stosunek wytrzymałości do wagi 5 razy wyższy od stali i jest używany do wytwarzania takich elementów ochrony osobistej jak hełmy czy kamizelki kuloodporne.

-odpowiedzialne za utworzenie podwójnej spirali DNA, a więc za mechanizm powielania informacji.( W cząsteczce DNA wiązania wodorowe nie tylko wiążą obie wstęgi kwasu w układzie poprzecznym, ale również stabilizują całą podwójną spiralę w układzie podłużnym, równolegle do kierunku obydwu łańcuchów głównych.)

2.5Co to jest oddziaływanie typu charge transfer?

Jest to oddziaływanie związane z przeniesieniem ładunku elektronowego z jednej cząsteczki na drugą. Cząsteczka dostarczająca ładunek nazwana jest donorem, zaś cząsteczka przyjmująca ładunek nazywana jest akceptorem.

W przypadku oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych wiązanie typu charge transfer nazywamy wiązaniem koordynacyjnym.

2.6Podaj prawo Bernoullego.

p + ρ v²/2 + ρgh = const.

p - ciśnienie statyczne

ρ v²/2 - ciśnienie dynamiczne

ρgh - ciśnienie hydrostatyczne

W przewodach poziomych mamy:

p + ρ v²/2 = const.

Wnioski:

1.Ciśnienie statyczne jest takie samo w różnych punktach przewodu naczyniowego o stałym przekroju

2.W przewodzie naczyniowym o różnych przekrojach ciśnienie statyczne jest większe w przekroju o większym polu.

Prawo Bernoulliego wynika z zasady zachowania energii przy przepływie cieczy i gazów. Na mocy tego prawa, na przykład, na tej samej wysokości (
), jeśli prędkość przepływu cieczy rośnie, to maleje ciśnienie. Prawo to dotyczy cieczy idealnej (nieściśliwej, nielepkiej) przy przepływie laminarnym.

2.7Co to jest lepkość? Podaj wzór na współczynnik lepkości.

Lepkość jest miarą tarcia wewnętrznego cieczy podczas jej przepływu.

Definiowana jest w sposób następujący:

F/S = τ = η Δv/Δx

gdzie:

F/S = τ oznacza naprężenie ścinające (styczne),

η oznacza współczynnik lepkości zwany lepkością

Δv/Δx = u oznacza szybkość ścinania.

[η ]=Pa·s (układ Si); 1 Pa·s = 10 P

Inna def: Lepkość (tarcie wewnętrzne) - właściwość płynów charakteryzująca ich opór przeciw płynięciu pod działaniem siły zewnętrznej. Ilościowo lepkość (współczynnik tarcia wewnętrznego) określa wielkość siły stycznej, która powinna być przyłożona do jednostki powierzchni przesuwanej warstwy płynu aby utrzymać ją w tej warstwie.

2.8Co to jest krzywa płynięcia?

Jest to wykres funkcji τ =f(u ), bo τ=η Δv/Δx, u= Δv/Δx=prędkość ścinania

Krzywa płynięcia różnicuje ciecze na:

- ciecze newtonowskie, dla których prędkość ścinania jest w szerokich granicach proporcjonalna do naprężenia ścinającego. W tym przypadku wykres stanowi linię prostą przechodzącą przez środek układu współrzędnch; oraz

- ciecze nienewtonowskie, które oprócz właściwości lepkich charakteryzują również właściwości sprężyste. Krzywe płynięcia dla cieczy nienewtonowskich zazwyczaj nie są prostoliniowe i często nie przechodzą przez środek układu.

2.9Narysuj krzywe płynięcia cieczy newtonowskiej i cieczy pseudoplastycznej.

(ciecz newtonowska - np. woda; ciecz pseudoplastyczna - np. krew)

Krew jest cieczą pseudoplastyczną, czyli taką której lepkość maleje ze wzrostem szybkości ścinania

2.10Podaj zmodyfikowane o kąt zwilżania θ równanie Laplace'a-Younga opisujące efekty kapilarne. Narysuj i wytłumacz dwa przypadki: wzniesienia kapilarnego dla kąta zwilżania 0^o<θ<90^o (A) oraz obniżenia kapilarnego dla kąta zwilżania 90^o<θ<180^o (B).

Podciąganie i obniżenie kapilarne są opisane przez równanie Laplace'a -Younga zmodyfikowane o kąt zwilżania:

Δp = (2 σ / r)cosΘ

(gdzie: Δp-zmiana ciśnienia wywieranego przez zakrzywioną powierzchnię cieczy na kapilarę, σ- napięcie powierzchniowe r- promień powierzchni kulistej tworzącej menisk)

1. 0^o<Θ<90^o Δp>0 H₂O

2. 90^o<Θ<180^o Δp<0 Hg

A) wzniesienie kapilarne (menisk wklęsły, dla kąta zwilżania θ<90 o ):

Δp>0

Jeżeli siły przylegania (adhezji) cząsteczek cieczy do ścianek włosowatej rurki są

większe niż siły spojności cieczy (oddziaływań między cząsteczkami cieczy) to tworzy się menisk wklęsły - powiększa się powierzchnia cieczy (w stosunku do idealnie płaskiej) i rośnie energia powierzchniowa. Aby zapobiec temu energetycznie "niekorzystnemu" zjawisku ciecz w rurce podnosi się, próbując przywrócić płaski kształt powierzchni. Proces trwa tak długo, aż ciężar słupa cieczy zrównoważy siłę napięcia powierzchniowego

B) obniżenie kapilarne (menisk wypukły, dla kąta zwilżania 90o<θ<180o):

Δp<0

Dla cieczy o siłach spojności większych niż siły adhezji (ciecze nie zwilżające danej powierzchni, np. woda na powierzchni pokrytej warstwą silikonu lub tłuszczu, rtęć w stosunku do szkła) powstaje menisk wypukły i ciecz w kapilarze obniża swój poziom poniżej poziomu w naczyniu.

2.11Jakie znasz szczególne właściwości fizyczne wody?

-Wysoka temperatura topnienia i wrzenia

-Wysokie ciepło właściwe

-Wysoka wartości ciepła topnienia i parowania

-Wysoka wartość napięcia powierzchniowego

-Duża wartość przenikalności dielektrycznej

-Zależność gęstości od temperatury, która wykazuje maksimum dla T = 4^oC, jak również gęstość wody większa od gęstości lodu(lód pływa w wodzie)

Wszystkie te właściwości sugerują, że rzeczywisty ciężar cząsteczkowy wody jest znacznie wyższy od ciężaru stechiometrycznego wynoszącego 18 g/mol.

2.12Omów pokrótce strukturalny model Némethy-Scheraga ciekłej wody.

W modelu tym przyjmuje się, że woda składa się z obszarów „cluster”, w których cząsteczki są powiązane wiąz. wodorowymi, przestrzeń między tymi obszarami wypełniona jest nie powiązanymi wodorowo cząsteczkami wody. W temp. 0 st. chmura-„cluster” ma zawierac 90 cząsteczek, a w temp. 20 st. C-57 cząsteczek H2O, tzn. ze ok. 70% cząsteczek wody jest powiązanych wodorowo. Teoria ta tłumaczy m. in. zmiany objętościowe wody w zależności od temp. Objętość właściwa w stanie stałym jest o 10% większa niż w stanie ciekłym. Po zerwaniu części sztywnych wiąz. wodorowych w lodzie zmniejszają się odległości międzycząsteczkowe w cieczy. Zmiany struktur, w których w stanie ciekłym zachowały się wiąz. wodorowe, są powodem tego, że ciecz kurczy się jeszcze bardziej przy wzroście temp., przyjmując najmniejszą obj. właściwą, a więc i największą gęstość w temp. 4stC.

Jednym z modeli strukturalnych ciekłej wody jest model Némethy-Scheraga, który zakłada, że woda składa się z obszarów, w których cząsteczki są połączone wiązaniami wodorowymi (klastry) oraz obszarów wypełnionych cząsteczkami niepowiązanymi. Model ten bardzo dobrze tłumaczy zmiany gęstości ciekłej wody z temperaturą oraz różnice w gęstości wody i lodu.

Wykład 5

5.1Co to jest potencjał chemiczny?

Jak wiemy każda substancja posiada swoją entalpie swobodną, jej zmiana w pewnym obszarze układu może być spowodowana zmianą ilości danej substancji, co może być wynikiem wymiany z otoczeniem, wejściem w reakcję chemiczną. Każdy z tych procesów związany jest z wykonaniem pracy. Miarą wykonanej pracy jest wtedy zmiana entalpii swobodnej.

-Zmiana entalpii swobodnej substancji może więc być wynikiem zmiany jej ilości, spowodowaną np. reakcją chemiczną lub transportem tej substancji z otoczenia.

- W procesach odwracalnych zmiana entalpii swobodnej i-tej substancji jest proporcjonalna do zmiany liczby moli tej substancji n_i, zaś współczynnik proporcjonalności nosi nazwę potencjału chemicznego µ_i.

-W mieszaninie gazów lub w roztworze doskonałym potencjał chemiczny składnika i wyrażony jest wzorem:

µ_i = µ_i⁰ + RT lnx_i

w którymi x_i oznacza ułamek molowy składnika i w mieszaninie, zaś µ_i⁰ oznacza potencjał chemiczny składnika i w tych samych warunkach p oraz T w stanie czystym (dla x_i = 1).

- Zamiast ułamka molowego często stosuje się stężenie roztworu:

µ_i = µ_ci⁰ + RT lnc_i

Potencjał chemiczny odgrywa kluczową rolę przy ocenie stanu układu pod względem możliwości wystąpienia w nim transportu materii. Jeżeli w układzie istnieją różnice potencjałów chemicznych, wtedy zachodzą w nim procesy fizyczne lub chemiczne związane z transportem substancji, zmieniające skład układu.

Potencjał chemiczny jest wielkością intensywną, tzn. niezależną od masy substancji. Jednostką potencjału chemicznego jest [(J·mol)-1].

Pojęcie potencjału chemicznego pozwala przedstawić zmiany energii i entalpii swobodnej układu otwartego, określić kryterium samorzutności przebiegu lub równowagi reakcji chemicznej (powinowactwo chemiczne reakcji), zdefiniować pojęcie roztworu doskonałego i idealnego rozcieńczonego.Potencjał chemiczny substancji czystej jest równy jej entalpii swobodnej. Potencjał chemiczny dla gazu zależy od ciśnienia tego gazu, dla roztworów od aktywności danego składnika. Jeżeli w układzie nie zachodzą żadne przemiany fazowe oraz T=const i p=const, to oznacza, że potencjał chemiczny każdego składnika układu we wszystkich fazach jest jednakowy.

5.2Co nazywamy dyfuzją a co osmozą?

Dyfuzja- jeżeli w roztworze znajdują się obszary o różnych stężeniach, mają one także różne potencjały chemiczne. Odbywa się transport substancji rozpuszczonej w kierunku od jpotencjałów wyższych do niższych, od stężeń większych do mniejszych, aż do stanu równowagi przy wyrównanych potencjałach chemicznych czy stężeniach.

Osmoza- zachodzi gdy dwa roztwory o różnych stężeniach rozdzielone są błoną półprzepuszczalną, która przepuszcza rozpuszczalnik, a NIE przepuszcza substancji rozpuszczonej. Skoro transport substancji rozpuszczonej jest niemożliwy, to jej potencjał chemiczny nie odgrywa roli w tym procesie. Natomiast różnica potencjałów chemicznych rozpuszczalnika po obu stronach błony powoduje jego transport przez błonę w kierunku: od roztworu o większym potencjale chemicznym rozpuszczalnika do roztworu o mniejszym potencjale chemicznym rozpuszczalnika (czyli w stężeniach to: od roztworu o mniejszym stężeniu do roztworu o wyższym stężeniu).

5.3Podaj prawo Ficka.

( Szybkość dyfuzji, wyrażająca się liczbą moli dn przepływającą w czasie dt przez jednostkę powierzchni S dana jest prawem Ficka: , gdzie: dc/dx jest gradientem stężenia, a D oznacza współczynnik dyfuzji zależny od rodzaju substancji i temp. )

D- to współczynnik dyfuzji zależny od rodzaju substancji rozpuszczonej, rozpuszczalnika, temperatury

5.4Podaj wzór na transport dyfuzyjny przez błony biologiczne.

Jeżeli dwa roztwory tej samej substancji o różnych stężeniach molowych c₁ oraz c₂ rozdzielimy błoną przepuszczalną (lecz utrudniającą dyfuzję) to prawo Ficka zapisać możemy następującym wzorem:

dn/dt = P S (c₁ - c₂)

w którym P oznacza przepuszczalność błony dla danej substancji, wyrażona w [m/s] dla stężenia c wyrażonego w [mol/m³]. Powyższy wzór stosowany jest często do opisu transportu dyfuzyjnego substancji przez błony biologiczne.

5.5Skąd się bierze ciśnienie osmotyczne?

Ciśnienie osmotyczne π to ciśnienie, które równoważy wzrost ciśnienia spowodowany transportem osmotycznym.

Przyczyną pojawienia się ciśnienia osmotycznego 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 (np. przez dyfuzję cząsteczek rozpuszczonych związków). W przypadku membrany, która przepuszcza małe cząsteczki rozpuszczalnika a nie przepuszcza jonów ani większych cząsteczek, jedynym sposobem wyrównania stężenia roztworów jest przepływ przez membranę rozpuszczalnika.

Dla roztworu o stężeniu [X] w kontakcie poprzez membranę z czystym rozpuszczalnikiem / dla roztworów rozcieńczonych, ciśnienie osmotyczne definiowane jest przez równanie van 't Hoffa: π = c_mRT

5.6Co to jest ogniwo stężeniowe? Podaj wzór Nernsta.

Ogniwa stężeniowe są zbudowane z dwóch identycznych elektrod, zanurzonych w roztworach tego samego elektrolitu, różniących się aktywnościami (stężeniami). Źródłem SEM ogniw stężeniowych jest praca przeniesienia elektrolitu z roztworu o wyższej aktywności do roztworu o aktywności niższej. W zależności od typu granicy zetknięcia dwóch roztworów elektrolitu rozróżniamy ogniwa stężeniowe z przenoszeniem i bez przenoszenia jonów.

`Wyobraźmy sobie wykonaną z metalu elektrodę zanurzoną w roztworze jonów tego samego metalu. Układ taki nazywamy elektrodą odwracalną względem kationu. W warunkach równowagi potencjały elektrochemiczne jonów metalu w metalu oraz w roztworze są równe. Różnica potencjałów wewnętrznych elektrody i roztworu jest wówczas źródłem potencjału elektrycznego opisanego równaniem: E = E_o + (RT/nF) ln [Meⁿ⁺] gdzie E_o oznacza standardowy potencjał tej elektrody.

Łącząc dwie takie same elektrody o różnych stężeniach błoną pół-przepuszczalną otrzymujemy ogniwo stężeniowe, którego SEM (potencjał równowagowy ogniwa) dana jest równaniem Nernsta”

E = (RT/nF) ln ([Meⁿ⁺]₁/([Meⁿ⁺]₂)

5.7Jaka jest różnica pomiędzy transportem biernym i aktywnym?

BIERNY	AKTYWNY
Odbywa się w zgodzie z istniejącymi bodźcami termodynamicznymi (takimi jak np. różnica potencjałów chemicznych, różnica ciśnień osmotycznych czy różnica potencjałów elektrycznych); entropia rośnie, zanikają bodźce i ustala się stan równowagi	Odbywa się wbrew istniejącym bodźcom; wymaga nakładu energii metabolicznej; zachodzi on z udziałem wyspecjalizowanych struktur błonowych (np. białek integralnych) sprzęgających transport z procesem uwalniania energii

5.8Jak są zbudowane lipidy i w jaki sposób ich budowa determinuje właściwości błony komórkowej?

Lipidy są pochodnymi glicerolu, w których dwie grupy wodorotlenowe są zastąpione hydrofobowymi łańcuchami reszt kwasów tłuszczowych, zaś trzecia grupa wodorotlenowa jest zastąpiona resztą kwasu fosforowego lub też kombinacją grupy fosforanowej oraz dodatkowej grupy hydrofilowej.

Lipidy są związkami amfifilowymi, czyli takimi, które posiadają jeden koniec hydrofilowy a drugi koniec hydrofobowy.

Ze względu na swoje właściwości amfifilowe w środowisku wodnym fosfolipidy zwracają się do siebie hydrofobowymi ogonami wystawiając do polarnej wody końcówkę hydrofilową. W taki sposób fosfoglicerydy w środowisku wodnym tworzą trzy typy struktur: micele, liposomy oraz dwuwarstwy lipidowe.

Stanową zrąb błony komórkowej. Dwuwarstwa lipidowa jest dynamicznym tworem półpłynnym. Przez amfifilowy charakter możliwe jest utrzymanie kształtu błony. Dwuwarstwa lipidowa jest dynamicznym tworem półpłynnym, który w niskich temperaturach podlega przemianie fazowej (do stanu krystalicznego lub do stanu żelu).

5.9Opisz budowę błony komórkowej.

40% białka, 60% lipidy.

W modelu mozaikowym błony komórkowej matrycą jest podwójna warstwa lipidowa. Niepolarne ogony skierowane są do wnętrza błony tworząc przestrzeń hydrofobową. W matrycy tej osadzone są białka błonowe dwojakiego rodzaju: integralne białka transbłonowe oraz peryferyjne białka powierzchniowe. Białka błonowe odpowiedzialne są za wybiórczy transport przez błonę.

- Przy odpowiednim stężeniu w środowisku wodnym wiele fosfolipidów, spontanicznie tworzy dwuwarstwy lipidowe.

- W takiej podwójnej warstwie, pojedyńcza cząsteczka lipidu posiada dość dużą ruchliwość: w ciągu 1 sekundy cząsteczka taka może przemieścić się wzdłuż całej błony komórkowej bakterii o długości 2 µm. Cząsteczki lipidów podlegają również ruchom rotacyjnym, zaś ich łańcuchy hydrofobowe posiadają dużą swobodę konformacyjną (są giętkie).

-Dwuwarstwa lipidowa jest dynamicznym tworem półpłynnym, który w niskich temperaturach podlega przemianie fazowej (do stanu krystalicznego lub do stanu żelu).

-Podaj i opisz krótko znane ci rodzaje transportu biernego.

Dyfuzja prosta- przemieszczanie się cząsteczek zgodnie z gradientem stężeń (z roztworu o większym stężeniu do roztworu o mniejszym) przez błonę o przepuszczalności P w zgodzie z prawem Ficka (czyli przy strumieniu substancji transportowanej proporcjonalnym do gradientu stężenia dc/dx)

Dyfuzja ułatwiona- niewygodne cząsteczki (duże, większe od tych, które mogą swobodnie wędrować przez błonę) są transportowane przez tworzenie kompleksu z nośnikiem białkowym. Jest to transport za pośrednictwem kanałów jonowych (porów utworzonych przez wyspecjalizowane białka).

Transport ułatwiony czyli transport za pośrednictwem kanałów jonowych (porów utworzonych przez wyspecjalizowane białka).

5.10Podaj zwięzły opis dwóch rodzajów transportu aktywnego.

Transport aktywny pierwszego rodzaju (pierwotny) - transport za pomocą białek przenoszących. Związanie przez białko przenoszące transportowanej substancji powoduje taką zmianę konformacji tego białka, że początkowo miejsce wiążące substancję znajduje się po jednej stronie błony, po zmianie zaś po drugiej stronie. Powinowactwo chemiczne substancji do miejsca wiążącego po tej stronie błony, po której następuje związanie jest większe niż po jej stronie przeciwnej. Transport odbywa się więc z obszarów o wyższym powinowactwie do obszarów o powinowactwie niższym, a zatem wbrew gradientowi stężeń, przy użyciu specjalistycznych struktur białkowych. Źródłem energii jest hydroliza adenozynotrifosforanu (ATP), Przykładem jest tutaj pompa sodowo- potasowa.

+Transport aktywny drugiego rodzaju (wtórny) - jako nośnik wykorzystany jest strumień transportowanych biernie jonów. To samo co powyżej, z tym, że pomiędzy procesem uwalniania energii a transportem występuje szereg (lub jeden, zależy) mechanicznych pośredników. (np. resorpcja glukozy w jelitach).

5.11Co to jest ATP? Jaka jest jego funkcja w procesach biochemicznych i jak jest ona realizowana? adenozynotrifosforan

Cząsteczka ATP jest nukleotydem składającym się z zasady azotowej - adeniny połączonej wiązaniem N-glikozydowym z cząsteczką cukru - rybozy i trzech reszt fosforanowych połączonych ze sobą dwoma wiązaniami bezwodnikowymi. Reszty fosforanowe są oznaczane w ogólnie przyjętej notacji greckimi literami α, β i γ.

ATP stanowi uniwersalny akumulator energii w procesach biochemicznych. Źródłem energii w większości procesów biochemicznych przebiegających z udziałem ATP jest hydroliza wiązania bezwodnikowego pomiędzy resztami β i γ zgodnie z równaniem reakcji:

ATP + H2O → ADP + Pi

W wyniku tego procesu powstaje cząsteczka ADP oraz anion fosforanowy (Pi) i uwalniana jest energia.

Rzadziej dochodzi do rozpadu ATP na AMP i pirofosforanu w wyniku hydrolizy wiązania bezwodnikowego pomiędzy resztami α i β:

ATP + H2O → AMP +PPi

Wydziela się przy tym więcej energii niż przy dwóch rozpadach ATP do ADP.

5.12Opisz działanie pompy sodowo-potasowej.

- Jednym z najlepiej poznanych mechanizmów transportu aktywnego pierwszego rodzaju jest działanie tak zwanej pompy sodowo-potasowej.

- Pompa sodowo-potasowa transportuje jony Na+ z wnętrza komórki, gdzie ich stężenie jest mniejsze na zewnątrz komórki, gdzie stężenie tych jonów jest większe, a także jony K+ z zewnątrz komórki gdzie ich stężenie jest mniejsze do wnętrza komórki, gdzie stężenie tych jonów jest większe.

- Białkiem przenoszącym jest w tej pompie aktywowana jonami Na⁺ i K⁺ adenozynotrifosfataza (Na⁺K⁺ATPaza).

Na każdą cząsteczkę hydrolizowanego ATP, 3 Na+ są usuwane na zewnątrz, a 2 K+ dostają się do wnętrza komórki.

Cykl rozpoczyna się przyłączeniem do fragmentu białka transportującego (Na+K+ATPazy) znajdującego się wewnątrz komórki, trzech jonów Na+ oraz cząsteczki ATP, która ulega rozpadowi na grupę fosforanową HPO
, która pozostaje związana z Na+K+ATPazy (fosforylacja) i ADP, który oddysocjowuje od niej. W wyniku przyłączenie jonów Na+ i fosforylacji Na+K+ATPaza ulega serii zmian konformacyjnych, w wyniku których jon Na+ zostaje przeniesiony na zewnątrz komórki i tam uwolniony. Następnym etapem pracy pompy jest przyłączenie jonów K+ do fragmentu Na+K+ATPazy znajdującego się po zewnętrznej części błony. Towarzyszy temu odłączenie grupy fosforanowej (defosforylacja), efektem czego jest cykl przemian konformacyjnych, w wyniku którego jony K+ przeniesione zostają do wnętrza komórki i uwolnione. Makromolekuła Na+K+ATPazy przyjmuje swój pierwotny kształt i może rozpocząć się następny cykl pacy.

5.13Skąd się bierze potencjał błonowy?

Potencjał błonowy powstaje, gdy elektrolity o różnych stężeniach przedzieli się błoną nieprzepuszczającą jonów jednego znaku. Błona będzie naładowana ładunkami przeciwnego znaku po obu stronach. Powstanie różnica potencjałów zwana potencjałem błonowym, która określa stan równowagi, któremu odpowiada określone ciśnienie osmotyczne.

Potencjał błony w stanie niepobudzonym nazywamy potencjałem spoczynkowym. Jest on ujemny od strony wnętrza komórki i dla większości komórek mieści się w zakresie od -100 do -40 mV.

Wartość potencjału błonowego zależy od stężenia jonów K⁺, Na⁺ oraz Cl^- po obu stronach błony i od przepuszczalności błony dla tych jonów. Największy wpływ wywierają jony potasu, dla których błona jest najbardziej przepuszczalna.

Transport aktywny ma niezbyt wielki wpływ na potencjał błonowy.

Wykład 6

6.1Co to jest potencjał spoczynkowy a co czynnościowy?

Komórki organizmów żywych ograniczają błony lipidowe, które są dobrymi izolatorami. Pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną stroną błony komórkowej panuje różnica potencjałów elektrycznych. Stwierdzono że potencjał wnętrza komórki jest ujemny w stosunku do jej otoczenia.. Dla większości neuronów ma ona wartość od -40 do -75 mV. Ta różnica to potencjał spoczynkowy. Dotyczy ona wyłącznie komórek w stanie niepobudzonym.

Potencjał błony w stanie niepobudzonym nazywamy potencjałem spoczynkowym. Jest on ujemny od strony wnętrza komórki i dla większości komórek mieści się w zakresie od -100 do -40 mV.

Wartość potencjału błonowego zależy od stężenia jonów K⁺, Na⁺ oraz Cl^- po obu stronach błony i od przepuszczalności błony dla tych jonów. Największy wpływ wywierają jony potasu, dla których błona jest najbardziej przepuszczalna

Potencjał czynnościowy jest to przejściowa zmiana potencjału błonowego komórki, związana z przekazywaniem informacji. Bodźcem do powstania potencjału czynnościowego jest zmiana potencjału elektrycznego w środowisku zewnętrznym komórki. Wędrujący potencjał czynnościowy nazywany jest impulsem nerwowym. Potencjał czynnościowy trwa nie więcej niż 1 ms i osiąga maksymalnie wartości około +30 mV. Hiperpolaryzacja następcza trwa kilka milisekund. By powstał potencjał czynnościowy musi zostać przekroczona wartość potencjału zwana progiem pobudliwości.

Potencjał czynnościowy składa się z kilku faz:

1. Faza depolaryzacji (gwałtowny wzrost potencjału błonowego) - wzrost potencjału błony jest związany z napływem do wnętrza komórki jonów Na+
2. Faza repolaryzacji (powolniejszy spadek potencjału błony) - ustaje dokomórkowy prąd sodowy, wzrasta natomiast odkomórkowy prąd potasowy.
3. Faza hiperpolaryzacji (potencjał błony niższy od potencjału spoczynkowego)

4. Powrót do potencjału spoczynkowego

6.2Jaką rolę w powstaniu potencjału czynnościowego odgrywają jony sodu a jaką jony potasu?

Dominującą rolę w powstawaniu i przebiegu potencjału czynnościowego odgrywa transport jonów sodowych Na+ oraz potasowych K+. Większe stężenie jonów potasowych jest wewnątrz komórki, natomiast sodowych w przestrzenie zewnątrzkomórkowej.

W fazie depolaryzacji dochodzi do wzrostu potencjału spoczynkowego (który jest potencjałem wnętrza komórki. Za tę fazę odpowiedzialny jest szybki napływ jonów sodowych do wnętrza komórki zgodnie z gradientem ich stężeń. Gwałtowny napływ tych jonów powoduje otwarcie się szybkich kanałów sodowych w błonie komórkowej, co następuje, gdy potencjał błony przekroczy wartość progową.

Za fazę repolaryzacji odpowiedzialne są jony potasowe. Wzrost potencjału błony inicjuje otwarcie się kanałów potasowych, w błonie komórkowej, przez które jony te również zgodnie z gradientem stężeń wydostają się na zewnątrz komórki. Wskutek zmniejszania się liczby ładunków dodatnich wewnątrz komórki dochodzi do spadku potencjału błony i następuje repolaryzacja.

Ogólnie liczba jonów przepływających w czasie powstawanie potencjału czynnościowego jest bardzo mała w stosunku do ogólnej ich liczby w cytoplazmie i płynie międzykomórkowym.

6.3Podaj funkcje komórek glejowych.

-biorą udział w syntezie niektórych neuroprzekaźników

-biorą udział w procesie wydzielania i wychwytywania neuroprzekaźników

-tworzą osłonki mielinowe aksonów

-uczestniczą w odżywianiu komórek nerwowych(neuronów)

-pełnią funkcje obronne

-funkcja podporowa

6.4Z jakich głównych elementów składa się neuron i jakie są ich funkcje?

-Jądro - zachodzą w nim kluczowe procesy. (Zawiera DNA, zachodzi w nim transkrypcja RNA)

-Dendryt - Neurony zawierają tysiące dendrytów, odbierają one sygnały nerwowe. tzw. „wejście" neuronu

-Synapsa - miejsce komunikacji błony kończącej akson z błoną komórkową drugiej komórki nerwowej lub komórki efektorowej np. mięśniowej lub gruczołowej. Może ona zmieniać moc sygnału nerwowego.

-Akson - neuron ma tylko jeden akson, za jego pośrednictwem wysyła sygnał będący odpowiedzią na jego dane wejściowe. Tzw „wyjście” neuronu

-Wzgórek aksonu - stąd wysyłany jest sygnał wyjściowy, który wędruje dalej przez akson.

-Osłonka mielinowa - warstwa lipidowo-białkowa otaczająca akson, posiadająca, dużą oporność elektryczną

-Przewężenie Ranviera -to przerwy, które występują między komórkami osłonki mielinowej. Jest to miejsce w którym oporność osłonki znacznie spada. Osłonka mielinowa wymusza przepływ impulsów od przewężenia do przewężenia pełniąc rolę elektrycznej izolacji przyspieszającej sygnał elektryczny.

6.5Na czym polega przekazywanie informacji w układzie nerwowym?

Przekazywanie informacji w układzie nerwowym polega na przemieszczaniu się wzdłuż neuronu impulsów elektrycznego potencjału błonowego (potencjału czynnościowego), oraz przekazywaniu tych impulsów z neuronu na neuron za pomocą połączenia synaptycznego typu elektrycznego (szybkiego) lub chemicznego (wolngo)

6.6Co to jest okres refrakcji bezwzględnej a co refrakcji względnej?

Refrakcja bezwzględna jest to okres po depolaryzacji błony w czasie, którego nie jest możliwe wywołanie kolejnego potencjału czynnościowego. Refrakcja względna jest to okres po refrakcji bezwzględnej w czasie, którego wywołanie kolejnego potencjału czynnościowego jest możliwe, ale tylko przy wyższym progu pobudliwości

6.7Dlaczego maksymalna częstotliwość impulsów we włóknach nerwowych ograniczona jest do 1000 Hz?

Okres refrakcji bezwzględnej wynosi 1ms, dlatego częstotliwość impulsów we włóknach nerwowych jest ograniczona do 1kHZ.

6.8Opisz przemieszczenie się impulsu na synapsie chemicznej.

Przesyłanie informacji polega na:

przemieszczaniu się wzdłuż neuronu impulsów elektrycznego potencjału błonowego (tak zwanego potencjału czynnościowego) oraz przekazywaniu tych impulsów z neuronu na neuron za pomocą połączenia synaptycznego typu elektrycznego (szybkie) lub chemicznego (wolne).

1.Gdy impuls nerwowy dotrze do zakończenia aksonu powoduje otwarcie kanałów jonowych selektywnie wpuszczających jony wapnia

2..Jony te uaktywniają migrację pęcherzyków presynaptycznych (zawierających mediator - substancję chemiczną np. adrenalinę, noradrenalinę, acetylocholinę).

3.Na drodze egzocytozy pęcherzyki te uwalniają zawartość do szczeliny synaptycznej.

4.Mediator wypełnia szczelinę synaptyczną i część z jego cząsteczek łączy się z receptorami na błonie postsynaptycznej. Powoduje to otworzenie się kanałów dla jonów sodu, a w efekcie depolaryzację błony postsynaptycznej.

5.Jeżeli depolaryzacja ta osiągnie wartość progową, otwierają się kolejne kanały dla sodu wrażliwe na napięcie skutkiem czego pojawia się potencjał czynnościowy i falę przechodzącą przez cały neuron.

Cząsteczki mediatora działają w szczelinie synaptycznej jedynie przez określony czas. Neuroprzekaźnik jest w ciągu kilku milisekund usuwany ze szczeliny synaptycznej zgodnie z podwójnym mechanizmem.W błonie presynaptycznej znajdują się receptory, których funkcją jest zwrotny wychwyt mediatora, Działanie enzymów dezaktywuje resztę mediatora.

6.9Opisz proces sumowania w przestrzeni.

Na każdym z dendrytów jest wiele synaps. Każda synapsa stanowi jedno wejście informacyjne. Do wzgórka aksonu docierają impulsy z wielu synaps. Potencjał na wzgórku jest sumą ważoną poszczególnych sygnałów. Max. częstotliwość ≈ 1000Hz

Sumowanie przestrzenne impulsacji w obrębie neuronu polega na wzrastaniu postsynaptycznego potencjału pobudzającego w miarę zwiększania się liczby synaps przekazujących pobudzanie.(pobudzenia docierają do komórki z różnych neuronów)

6.10Opisz proces sumowania w czasie.

W większości synaps depolaryzacja wywołana przez pojedynczy impuls nie wystarcza do wywołania potencjału czynnościowego we wzgórku aksonowym neuronu. Jeśli impulsy będą się powtarzały z odpowiednią częstotliwością, to zwiększy się ilość mediatora w szczelinie i depolaryzacja przekroczy wartość progową.

Sumowanie w czasie - chodzi tu oto aby przychodzące nowe impulsy zdążyły przed repolaryzacją błony postsynaptycznej, czyli aby przychodziły w mniejszych odstępach jak 5ms.(pobudzenia docierają do komórki z tego samego neuronu)

6.11Podaj właściwości neuronu elementarnego.

-Mają liczne wejścia i tylko jedno wyjście; przekazywanie informacji jest jednokierunkowe.

-Wejścia mogą być hamujące lub pobudzające.

-Wykazując elementarną aktywność impulsową (numeryczną), na poziomie generowanych częstotliwości zarówno wejścia jak i wyjście 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.

6.12Co to są neuronowe sieci zorganizowane?

sieci o ustalonej organizacji i strukturze jednakowej u wszystkich, przystosowane do wykonywania ściśle określonego zadania. Przykładem jest przetwarzająca obraz sieć neuronowych warstw siatkówki oka zawierająca około 140 x 10⁶ pręcików i 140 x 10⁶ czopków. Wagi połączeń neuronów są ustalone.

Uproszczony schemat jednokierunkowej sieci neuronowej

6.13Co to jest przekształcenie nieliniowe i jakie ma funkcje?

f^wy = F_nl(w₁f₁^we + w₂f₂^we +...+ w_if_i^we +...+ w_nf_n^we) gdzie f^wy jest częstotliwością wyjścia, f_i^we są to częstotliwości wejścia, w_i oznaczają wagi wejścia, zaś F_nl jest przekształceniem nieliniowym

Celem przekształcenia nieliniowego jest

1) ograniczenie maksymalnej możliwej częstotliwości wyjścia do zadanej wartości

2) zamodelowanie progu pobudliwości, powyżej którego odpowiedź w ogóle pojawia się na wyjściu.

W układach rzeczywistych neuronów maksymalna możliwa częstotliwość wyjścia wynosi około 1000 Hz i związana jest z okresem trwania refrakcji bezwzględnej błony, wynoszącym około 1 ms, w czasie której nie jest możliwe ponowienie potencjału czynnościowego neuronu.

Wykład 7

7.1Budowa mięśnia szkieletowego.

Mięsień szkieletowy jest mięśniem poprzecznie prążkowanym ( w tkance mięśniowej zdolność do kurczenia się wykazują całe wyspecjalizowane komórki). Składa się z bardzo wydłużonych komórek w kształcie włókien o średnicy około 0,01mm i długości około 0,1mm. Komórki te zawierają do kilkunastu jąder, mitochondria i inne typowe składniki cytoplazmy. Ponadto wypełnione są włóknistymi strukturami- miofibrylami, które stanowią około 70% białkowych składników komórki. Pracują one zależnie od woli, szybko ulegają zmęczeniu, ich skurcze są krótkotrwałe, ale silne. Sygnał do skurczu przekazywany jest z neuronu ruchowego przez synapsę nerwowo-mięśniową. Mediatorem jest acetylocholina, która w błonie postsynaptycznej łączy się z receptorem nikotynowym.

1.Mięśnie poprzecznie prążkowane zbudowane są z włókien mięśniowych których długość waha się od kilku µm (mięsień sercowy) do kilkudziesięciu cm (niektóre mięśnie szkieletowe).

2.Pojedyncze włókno mięśniowe stanowi komórkę.

3.Na komórkę składają się włókienka mięśniowe, zwane miofibrylami.

4.Mikrofibryle podzielone są na, stanowiące podstawowe jednostki kurczliwe, segmenty zwane sarkomerami.

7.2Co to jest sarkomer i jak jest zbudowany?

Jednostką czynną komórki mięśni poprzecznie prążkowanych jest powtarzający się segment zwany sarkomerem.

Na jeden sarkomer składa się miofilament gruby zbudowany z miozyny otoczony sześcioma miofilamentami cienkimi, zbudowanymi z aktyny.

Jeden koniec miofilamentu cienkiego przymocowany jest do ograniczającego sarkomer dysku Z (Z line), zaś drugi wsunięty pomiędzy zbudowane z miozyny miofilamenty grube.

7.3Podać główne elementy ślizgowej teorii skurczu.

Wzrost stężenia jonów Ca²⁺ w sarkoplazmie powoduje:

-Powstanie kompleksu białkowego aktyny z miozyną (dwie głowy miozyny tworzą mostek poprzeczny pomiędzy miofilamentami grubym i cienkim), które powoduje:

-Wzrost szybkości reakcji hydrolizy ATP (uwalniają się grupy fosforanowe i wydziela się energia), który powoduje:

-Zmianę konformacji mostka poprzecznego pomiędzy miofilamentami grubym i cienkim wywołującą:

-Przesuwanie się miofilamentów względem siebie.

W mechanizmie skurczu mięśnia możemy wyróżnić cztery fazy

Faza 1 w głowowej części miozyny znajdują się związane cząsteczki ATP i P ( po 2 cząsteczki na 1 cząsteczkę miozyny); w cytoplazmie komórki znajduje się nadmiar wolnych cząsteczek ATP. W tej fazie mięsień znajduje się w fazie spoczynku.Faza 2 „Głowa” miozyny łączy się z aktyna tworząc mostek między miofilamentem grubym a miofilamentem cienkim. Uwalnia się ADP i reszta fosforanowaFaza 3 Na skutek zaistniałego oddziaływania aktyny z miozyną zmienia się konformacja (kształt cząsteczki) miozyny i „głowa” odchyla się o kąt około 45 stopni; następuje przesunięcie miofilamentów względem siebie o około 10nm Faza 4 Dwie cząsteczki ATP wiążą się z miozyną wypierając cząsteczki ADP i P. Wiązanie mostka miozynowego z aktyną ulega zerwaniu, układ wraca do fazy 1. Opisany cykl trwa 0,1-0,2s. Proces ten przebiegając równocześnie na wszystkich miofilamentach, prowadzi do kurczenia się mięśni

7.4Co utrzymuje gradient stężeń jonów wapnia pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a wewnętrznym komórki mięśniowej?

Do pobudzenia skurczu niezbędny jest udział jonów Ca⁺⁺. Wzrost stężenia tych jonów w sarkoplazmie jest sygnałem inicjującym oddziaływanie miozyny z aktyną. Dwa źródła wapnia: środowisko zewnątrzkomórkowe (1) oraz siateczka sarkoplazmatyczna wewnątrz komórki (2)

Wysoki gradient stężeń między środowiskiem zewnętrznym a wewnętrznym jest utrzymywany przez

-sarkolemę - barierę hydrofobową

-mechanizmy transportu aktywnego: białka transmembranowe, pompa wapniowa, wymiennik Na+/Ca++

7.5Jaka jest rola jonów wapnia w powstawaniu kompleksu miozyny z aktyną?

Po dostaniu się do sarkoplazmy jony Ca++ wiążą się z kompleksem tropomiozyno- troponina, zawartym we włóknach aktyny. Po ich połączeniu dochodzi do zmiany konformacji tego kompleksu, w wyniku czego powstają we włóknach aktyny miejsca do wiązania z miozyną. Następnie aktyna kompleksuje miozynę i dochodzi do skurczu mięśnia.

- W skrócie: Jony Ca++ wpływają na odsłonięcie we włóknach aktyny miejsc do łączenia z miozyną po wcześniejszej zmianie konformacji kompleksu tropomiozyno- troponina

7.6Co to są i do czego służą tubule poprzeczne T?

W błonie komórek mięśni poprzecznie prążkowanych jest system poprzecznych kanalików, tak zwanych tubuli poprzecznych T, które pełnią ważne funkcje w przenoszeniu sygnału z powierzchni sarkolemy do wnętrza włókna.

Jony Ca⁺⁺ dostają się do sarkoplazmy z przestrzeni zewnątrz-komórkowej poprzez tubule poprzeczne T oraz/lub z obecnej w sarkoplazmie siateczki sarkoplazmatycznej

7.7Podaj specyfikę mięśnia sercowego.

-Mięsień sercowy jest mięśniem poprzecznie prążkowanym

-Sygnałem do skurczu nie jest impuls pochodzący z układu nerwowego lecz potencjały czynnościowe wytwarzane przez wyspecjalizowany układ bodźcotwórczy

-System połączeń szczelinowych między komórkami zapewnia szybkie przenoszenie pobudzenia z komórki na komórkę

-Dopływ jonów wapnia -najpierw z połączeń szczelinowych a następnie z siateczki sarkoplazmatycznej

-Potencjał czynnościowy charakteryzuje wyraźne plateau spowodowane przedłużonym wydzielaniem jonów Ca⁺⁺

7.8Co to jest sprzężenie elektromechaniczne i jak działa?

Jest to jeden ze sposobów pobudzenia mięśnia gładkiego.

Kanały wapniowe są zależne od napięcia, depolaryzacja sarkolemy przez impuls elektryczny przekazany z innej komórki powoduje otwarcie kanałów wapniowych przez które przechodzą jony Ca++. Jony te łączą się z enzym kalmodulina w kompleks które powodują skurcz.Wzrost stężenia jonów w cytoplazmie aktywuje skurcz każdej komórki mięśniowej.

7.9Jakie są podobieństwa pomiędzy wszystkimi rodzajami komórek mięśniowych?

We wszystkich komórkach mięśniowych:

1.Znajduje się zbudowany z miofilamentów system białek kurczliwych, takich jak aktyna (miofilament cienki) i hydrolizująca ATP miozyna (miofilament gruby)

2.Sarkolema jest struktura pobudliwą

3.Skurcz aktywowany jest wzrostem stężenia jonów wapnia w cytoplazmie

7.10Jakie są różnice pomiędzy komórkami mięśnia gładkiego a komórkami mięśnia poprzecznie prążkowanego?

1.W komórkach mięśnia sercowego oraz mięśni gładkich istotną rolę w aktywacji skurczu odgrywają jony wapnia docierające do cytoplazmy z przestrzeni zewnątrzkomórkowej,

2.W mięśniu sercowym oraz mięśniach gładkich występują niskooporowe połączenia elektryczne między komórkami,

3.W mięśniu sercowym oraz mięśniach gładkich nie ma pobudzenia przez synapsę nerwowo-mięśniową,

4.W mięśniach gładkich aktywacja układu białek kurczliwych przebiega inaczej niż w mięśniach poprzecznie prążkowanych.

7.11Co to jest reologia i jak się buduje modele reologiczne?

Reologia to dział mechaniki ośrodków ciągłych zajmujący się deformacją i płynięciem ciał

Wszystkie ciała rzeczywiste można modelować Modele reologiczne buduje się w oparciu o przyporządkowanie im zarówno właściwości sprężystych i lepkich w różnych kombinacjach połączeń szeregowych i równoległych.

Właściwości sprężyste w modelach reprezentowane są przez sprężynę o danej wartości modułu sprężystości Younga E, gdzie naprężenie:τ = E γ

Właściwości lepkie reprezentowane są przez współczynnik lepkości (dławik z cieczą o danej lepkości η, w której porusza się tłoczek, gdzie naprężenie) τ = η dγ/dt

7.12Przedstaw model reologiczny Maxwella.

Model uzyskuje się z szeregowego połączenia elementu sprężystego z lepkim. Szybkość odkształceń w tym modelu jest równa sumie szybkości odkształcenia w elemencie sprężystym i elementu lepkim. Bardzo dobrze opisuje zjawisko relaksacji czyli zmianę naprężeń w czasie przy stałej wartości odkształcenia. Zgodnie z tym modelem zachowują się mięśnie gładkie.

Wykład 9

9.1Co to są ultradźwięki?

Ultradźwięki (naddźwięki) są to fale mechaniczne o charakterze fal dźwiękowych i częstotliwości wyższej od progu słyszalności ucha ludzkiego, propagujące w ośrodkach gazowych ciekłych lub stałych. Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz (to znaczy przekraczającej górny próg słyszalności dla człowieka) i niższej od 100 MHz (hiperdźwięk). W naturze ultradźwięki emitowane są przez niektóre ssaki (m.in. nietoperze i delfiny) i wykorzystywane przez nie do echolokacji.

Fale dźwiękowe są falami podłużnymi i polegają na miejscowych i okresowych zmianach gęstości ośrodka. Rozprzestrzenianiu się ruchu falowego towarzyszy przenoszenie energii bez transportu materii.

9.2Omów zjawisko piezoelektryczne oraz odwrotne zjawisko piezoelektryczne.

-Efekt piezoelektryczny polega na wytwarzaniu, proporcjonalnego do siły, napięcia podczas ściskania lub rozciągania niektórych kryształów.

-Odwrotny efekt piezoelektryczny polega na rozszerzaniu się lub kurczeniu kryształu pod wpływem potencjału elektrycznego. Pod wpływem zmiennego pola elektrycznego kryształy piezoelektryczne drgają.

Zjawisko piezoelektryczne (proste i odwrotne) wykazują m. in. kryształy kwarcu, tytanianu baru. które nie mają swojego środka symetrii, Materiały takie nazywane są piezoelektrykami.

9.3Na czym polega metoda echa w ultrasonografii?

-Głowica ultradźwiękowa emituje falę pełniąc jednocześnie funkcję detektora fali odbitej.

-Impuls emitowany jest krótkotrwały (3 do 5 okresów fali).

-Po napotkaniu granicy tkanek, które różnią się opornościami akustycznymi, część energii ulega odbiciu i wraca do głowicy, część zaś propaguje dalej.

-Odbicia od kolejnych granic powracają do głowicy w określonej sekwencji czasowej.

-Mierząc odstęp czasu pomiędzy emisją impulsu a detekcją echa określa się położenie danej struktury.

-Intensywność echa odzwierciedla relacje pomiędzy impedancjami akustycznymi tkanek.

9.4Jakie znasz sposoby prezentacji obrazu ultradźwiękowego w metodzie echa?

-Prezentacja typu A (amplitude mode)

-Prezentacja typu B (brightness mode)

-Prezentacja typu 2D (dwuwymiarowa)

-Prezentacja 2D-real time (dwuwymiarowa w czasie rzeczywistym)

-Prezentacja 3D (trójwymiarowa)

-Prezentacja 4D (trójwymiarowa w czasie rzeczywistym)

-Prezentacja typu M (motion mode)

9.5Omów pokrótce prezentację typu A (amplitude mode) oraz prezentację typu B (brightness mode).

Prezentacja A : Zbiór pików o wysokościach proporcjonalnych do natężenia fal odbitych. Położenie piku obrazuje głębokość.Dostarcza danych jednowymiarowych.

Prezentacja B: Sygnały odbite wewnątrz badanego ciała modulują jasność lampy oscyloskopowej, natomiast podstawa czasu wykonuje zazwyczaj złożone ruchy, analogiczne do ruchów wiązki ultradźwiękowej, przeszukującej wnętrze ciała pacjenta. Echa rozjaśniające ekran tworzą wówczas rysunek rozkładu anatomicznego tkanek. Zbiór plamek o jasnościach proporcjonalnych do natężenia fal odbitych. Położenie plamki obrazuje głębokość.Dostarcza danych dwuwymiarowych (w przekroju).

9.6Na czym polega efekt Dopplera? Podaj wzór.

Jest to zjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości fali wysyłanej przez źródło oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła

f = f_o [v/(v-v_zr)]

v - prędkość fali,

f - częstotliwość fali odbieranej przez obserwatora,

f_o - częstotliwość fali generowanej przez źródło,

v_zr - składowa prędkości źródła względem obserwatora, równoległa do kierunku łączącego te dwa punkty.

9.7W ultrasonografii dopplerowskiej, czym różni się metoda impulsowa od metody fali ciągłej?

-Metoda fali ciągłej: funkcje nadawczo odbiorcze przetwornika ultradźwięków realizowane są przez dwie jego oddzielne części. Jedna emituje wiązkę, druga zaś pełni rolę detektora fali odbitej. Wada: jeżeli na drodze wiązki znajdzie się więcej niż jedno naczynie, rejestrowany jest tylko najsilniejszy sygnał.

-Metoda impulsowa: Ten sam element głowicy odgrywa rolę nadajnika, następnie zaś odbiornika fal. Można dokonać wyboru głębokości, z jakich informacja będzie analizowana. Stosuje się w tym celu tzw. bramkę analizy. Wybór obszaru analizy określany jest czasem upływającym od chwili wysłania impulsu do chwili otwarcia bramki.

W pierwszym przypadku przetworniki piezoelektryczne głowicy wysyłają falę ciągłą, w drugim impulsy fal. Metoda fali ciągłej dostarcza informacji o wszystkich strukturach ruchomych leżących na drodze wiązki ultradźwięków, więc obraz jest trudny do interpretacji, jeśli np. wiązka trafia jednocześnie na tętnicę i leżąca głębiej żyłę. Metoda impulsowa umożliwia pomiar prędkości przepływu krwi w wybranym zakresie głębokości, średnicy naczynia czy rozkładu prędkości krwi. Umożliwia to wyznaczenie prędkości objętościowej krwi w dużych naczyniach.

9.8Jak generowane są promienie Roentgena?

Do wytworzenia promieni rentgena niezbędne są trzy rzeczy:

1.Źródło elektronów

2.Układ przyspieszenia elektronów

3.Materiał, który bombardowany szybkimi elektronami emituje promieniowanie rentgena

1.Elektrony emitowane są z katody w procesie termoemisji. Wzrost prądu żarzenia I_ż zwiększa liczbę emitowanych elektronów.

2. .Elektrony przyśpieszane są w polu wysokiego napięcia (rzędu 10³ - 10⁵ V) przyłożonego między katodą i anodą. Elektrony te uzyskują wysokie energie kinetyczne.

3. Kolizje wysokoenergetycznych elektronów z powierzchnią anody powoduję emisję promieniowania rentgenowskiego. Są dwa mechanizmy powstawania tego promieniowania:

-Gwałtowne hamowanie elektronów w polu elektrycznym atomów anody pociąga za sobą zaburzenia tego pola i stanowi źródło fali elektromagnetycznej. Energia tracona podczas hamowania uwalniana jest w postaci promieniowania (widmo ciągłe).

-Wybijanie elektronów z powłok powoduje wzbudzenie. Powrót elektronów do stanu podstawowego związany jest z emisją fali o określonej długości (promieniowanie charakterystyczne)

9.9Co to jest widmo rentgenowskie ciągłe a co widmo charakterystyczne?

Widmo ciągłe promieniowania rentgenowskiego związane jest z hamowaniem elektronów na anodzie.

Widmo charakterystyczne (liniowe) promieniowania rentgenowskiego powstaje na skutek wybijania elektronów z powłok atomowych materiału anody przez rozpędzony strumień elektronów. W wyniku przeskoków elektronów z wyższych powłok na opróżnione niższe powłoki wysyłane jest promieniowanie o ściśle określonych długościach fal, odpowiadających różnicy energii elektronów między stanem początkowym a końcowym.

9.10Od czego zależy minimalna długość fali w widmie rentgenowskim? Podaj wzór.

Zależy od napięcia. Przyspieszone w polu elektrony uzyskują energię kinetyczną:

E_k = mv²/2 = eU

Podczas gwałtownego hamowania elektronu jego energia kinetyczna zostaje cała wypromieniowana w postaci energii fotonu:

hν_max = eU

hc/λ_min = eU

λ_min = hc/eU

λ_min = 1,24x10^-9/U [m]

9.11Jak działa klasyczna radiografia rentgenowska?

-Promieniowanie emitowane przez lampę przechodzi przez obiekt, w którym ulega częściowej absorpcji.

-Promieniowania przechodzące pada na błonę fotograficzną umieszczoną za obiektem i wywołuje reakcje fotochemiczną.

-Reakcja fotochemiczna polega na rozkładzie bromku srebra, z wydzieleniem czystego srebra, pod wpływem promieniowania. Im większe natężenie promieniowania docierającego do błony, tym więcej srebra wydziela się w reakcji i tym ciemniejsze jest dane miejsce na błonie. Kości są jasne, ponieważ absorbują znacznie więcej niż tkanki miękkie, natężenie jest mniejsze i reakcja fotochemiczna zachodzi w mniejszym stopniu.

9.12Na czym polega tomografia komputerowa?

Tomografia Komputerowa (badanie TK) to specjalistyczne badanie obrazowe wykorzystujące promieniowanie jonizujące, mające szeroki zakres zastosowań w diagnostyce medycznej począwszy od urazów i stanów nagłych do badań planowych.

Źródłem promieniowania jest lampa rentgenowska obracająca się wzdłuż osi ciała pacjenta, emitowane przez nią promienie są pochłaniane przez układ detektorów umieszczony w obrębie aparatu i rejestrujący osłabienie promieniowania przechodzącego przez organizm ludzki na zasadach podobnych do radiologii konwencjonalnej. Specjalne procesory i dedykowane oprogramowanie umożliwiają przetworzenie danych uzyskanych przez detektory w wysokiej rozdzielczości obrazy przekrojów ciała ludzkiego, wykorzystując różnice w gęstości poszczególnych tkanek.

1.Cienka warstwa tomograficzna ciała naświetlana jest wąską wiązką pod wieloma kątami.

2.Przechodzące promieniowanie rejestrowane jest przez system detektorów.

3.Dane z detektorów przetwarzane są przez komputer, który dokonuje analizy i rekonstruuje obraz tomograficzny prześwietlanej warstwy.Tworzymy matryce pikseli. Prowadząc pomiary absorpcji pod wieloma kątami otrzymujemy układy n równań z n niewiadomymi.

Obliczamy numerycznie wartości dla każdego piksela. We współczesnych tomografach tworzone są matryce od 256 x 256 do 1024 x 1024

9.13Porównaj klasyczną radiografię z tomografią komputerową. Wymień, jakie znasz wady i zalety obydwu technik.

-Współczesne skanery TK rozróżniają tkanki przy różnicy ich gęstości wynoszącej 0,5%

W radiografii klasycznej dwie tkanki będą widziane jako różne na błonie fotograficznej gdy ich gęstość różni się co najmniej o około 10%.

Większe koszty użytkowania -komputerowa i większa aparatura.

TK Pozwala uzyskać warstwowy obraz, przedstawiający bardzo dokładnie nawet niewielkie zmiany chorobowe.klasyczny rentgen. CT polega na wykonywaniu wykonywaniu kolejnych zdjęć rentgenowskich sterowanych komputerem badanego narządu w różnych płaszczyznach i pod różnym kątem. Skaner tomografu komputerowego obraca się wokół leżącego pacjenta, wykonując co kilka stopni liczne pomiary. . Tomografia komputerową stosuje się w przypadku znacznych różnic w gęstości tkanek, nadaje się więc do diagnozowania złamań, zakrzepów i kamieni nerkowych.
W przypadku tomografii oprogramowanie komputerowe jest integralną częścią przebiegu badania. Specjalna konsola tomografu umożliwia sterowanie i kontrolowanie przebiegu badania, przyjmuje informację o badanym obszarze anatomicznym, a następnie przetwarza je tak, aby uzyskać możliwie najdokładniejsze odzwierciedlenie szczegółów badania.

Tak jak w każdej technice cyfrowej, w tomografii komputerowej istnieje możliwość dowolnego powiększania i dzielenia obrazu oraz dokonywania jego wtórnej rekonstrukcji. Możliwości te zależą jednak od oprogramowania aparatu.

Zalety: prześwietlają bagaże na lotniskach, pomagają w defektoskopii (wykrywaniu wad metali) i budowaniu konstrukcji stalowych, . wykorzystywane są w badaniach pierwiastkowego składu chemicznego substancji oraz struktur kryształów
Dzięki tomografowi rentegowskiemu udaje się uzyskać bardzo dokładny obraz nawet małych zmian chorobowych. Najczęściej robi się zdjęcia klatki piersiowej(diagnoza chorób płuc) i układu kostnego; wprowadzenie promieni X do układu naczyniowego pozwala na uwidocznienie przebiegu i zarysu tętnic i żył. Promienie rentgenowskie wykorzystywane są również do niszczenia chorych komórek, najczęściej nowotworowych( radiografia)

Wady: Promieniowanie X może wpływać na rozwój płodu, duże dawki są szkodliwe dla zdrowia. Powodują przede wszystkim uszkodzenie szpiku kostnego, co prowadzi do niedokrwistości. Reakcja organizmu na promieniowanie X zależy przede wszystkim od jego ilości, wieku (im osoba młodsza tym bardziej narażona), rodzajów tkanek. Dlatego stosuje się fartuch z gumy ołowiowej, który chroni niebadane części ciała. Jednak przyjęcie dużej dawki promieniowania może powodować oparzenia i chorobę popromienną
W celu uzyskania lepszego obrazu wieczorem jeden dzień przed badaniem i w dniu badania należy wypić rozcieńczoną w trzech szklankach wody jedną ampułkę urografiny. Czasami, w celu dokładniejszej oceny danego obszaru, pacjentowi podaje się dożylnie odpowiedni środek kontrastowy (osłabiający promieniowanie rentgenowskie). Podanie badanemu takiego środka powoduje, że fale rentgenowska jest prawie całkowicie pochłonięta w tych tkankach (np. naczynia żylne) a na ekranie komputera widzimy jasne pole, odpowiadające w tym przypadku naczyniom żylnym wypełnionym środkiem kontrastowym. Środki kontrastowe można podzielić na: środki podawane dożylnie, doustnie i doodbytniczo.

---