BIOFIZYKA - Pytania + odpowiedzi

Dla Woj.-Leka 2012 oraz Teoretycznie Możliwych Przyszłych Pokoleń

W oparciu o pracę poprzednich roczników oraz wkład własny :)

Wykład 1

1. Co 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.

2. Podział biofizyki ze względu na hierarchiczność układów biologicznych.

• Biofizyka molekularna

• Biofizyka komórkowa

• Biofizyka tkanek

• Biofizyka narządów

• Biofizyka układów

• Biofizyka organizmów

3. Jakie 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.

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

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.

5. Podaj 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.

6. Co 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.

7. Podaj 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.

8. Podaj 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.

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

n = 2	l = 0	m = 0	ms = + 1/2
						ms = - 1/2
				l = 1	m = -1	ms = + 1/2
						ms = - 1/2
					m = 0	ms = + 1/2
						ms = - 1/2
					m = 1	ms = + 1/2
						ms = - 1/2

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

10. Od 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.

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

Orbital antywiążący - orbital molekularny, który ma wyższą energię niż orbitale, z których powstał, utworzony w wyniku ujemnego nakładania się orbitali atomowych

12. Czym 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

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

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

• (Ew. też oddziaływania dyspersyjne powstałe w wyniku chwilowych asymetrii rozkładu ładunku w cząsteczce lub atomie)

2. Co 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)

3. Wyjaśnij 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 daje oddziaływanie dyspersyjne (Londona).

4. Podaj 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 (tabelka z momentami dipolowymi). 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 nadmolekularną strukturę oraz właściwości wielu takich związków biologicznie czynnych, jak polipeptydy (białka) czy kwasy nukleinowe. Międzycząsteczkowe wiązania wodorowe odpowiadają również za niezwykłe właściwości niektórych tworzyw sztucznych.)

5. Co 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.

6. Podaj 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.

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.

7. Co 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) lub puaz (P) w układzie CGS; 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.

8. Co to jest krzywa płynięcia?

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

9. Narysuj krzywe płynięcia cieczy newtonowskiej i cieczy pseudoplastycznej.

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

10. Podaj 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.

11. Jakie 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

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

12. Omów pokrótce strukturalny model Némethy-Scheraga ciekłej wody.

Model Némethy-Scheraga 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.

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.

Wykład 5

1. Co 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.

(delta)W=(delta)G

Zmiana entalpii swobodnej jest proporcjonalna do zmiany liczby moli n tej substancji, czyli:

(delta)W=(delta)G=(mi)*(delta)n

Współczynnik proporcjonalności  (mi) to potencjał chemiczny substancji.

Fizyczne znaczenie potencjału chemicznego, które możemy odczytać z powyższego wzoru: potencjał chemiczny substancji wyraża liczbowo pracę wykonaną podczas zmiany liczny moli tego składnika o jeden, przy zachowaniu stałości temperatury, ciśnienia oraz ilości innych składników wchodzących w skład układu.

Potencjał chemiczny danej substancji w mieszaninie gazów lub w roztworze doskonałym wyraża się wzorem:

(mi)=(mi)⁰+RTlnx

(mi)⁰- potencjał chemiczny danej substancji w stanie czystym

(nie wiem, czy widać grecką literę dla mi - takie u z ogonkiem ;) )

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.

2. Co 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 potencjałów 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).

3. Podaj prawo Ficka.

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

Jeżeli na poziomie x stężenie molowe wynosi c, a na x+dx jest c-dc, to szybkość dyfuzji wyrażająca się stosunkiem liczby moli dn przepływających przez powierzchnię S do czasu dt wyrazi się wzorem, zwanym prawem Ficka:

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

4. Podaj 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. Skąd 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

6. Co 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.

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)

7. Jaka 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 równowag	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

8. Jak 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.

9. Opisz budowę błony komórkowej.

40% białka, 60% lipidy.

Lipidy stanowią zrąb (podstawę). Białka są w podstawie zatopione.

Dwie warstwy lipidów odwróconych częściami hydrofobowymi na zewnątrz (stykają się tymi śmiesznymi czułeczkami ze sobą).

Na zewnątrz błony mamy fazę wodną, pomiędzy warstwami lipidów (w środku) mamy fazę lipidową.

Białka mogą być:

1- peryferyjne (na powierzchni tylko)

2- integralne (zatopione, ale nie przechodzące na wylot)

3- transmembranowe (takie na wylot)

Na zewnętrznej powierzchni błony (tej od świata zewnętrznego) występują łańcuchy węglowodanowe.

10. 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).

? Osmoza- przenikanie wody jako rozpuszczalnika z roztworu o mniejszym stężeniu do roztworu o większym stężeniu.

Hydrofobowe wnętrze błony komórkowej stanowi barierę ograniczającą transport cząsteczek do wnętrza i na zewnątrz komórki. O przepuszczalności błony, w transporcie biernym oprócz struktury samej błony, decydują właściwości fizyczne dyfundujących przez tę błonę cząsteczek.

11. Podaj 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 obywa się więc z obszarów o wyższym powinowactwie do obszarów o powinowactwie niższym, a zatem wbrew gradientowi stężeń, przy użyciu specjalistycznych struktur białkowych. Potrzebna jest energia z hydrolizy ATP. Bezpośrednie sprzężenie uwalniania energii z ATP z mechanizmem transportu. 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).

12. Co to jest ATP? Jaka jest jego funkcja w procesach biochemicznych i jak jest ona realizowana?

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.

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).

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.

13. Opisz działanie 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.

14. Skąd 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

1. Co 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. W zależności od rodzaju komórki różnica może wynosić około 40-100 mV. Dla większości neuronów ma ona wartość od -40 do -75 mV. Ta różnica to potencjał spoczynkowy. Dotyczy ona wyłącznie komórek w stanie niepobudzonym.

We wzorze nawiasy oznaczają stężenia: w - wewnątrz komórki oraz z - na zewnątrz komórki, natomiast symbole P_K, P_Na oraz P_Cl oznaczają przepuszczalność błony dla odpowiednich jonów.

W przypadku, kiedy P_K >> P_Na, P_Cl wzór G-H-K redukuje się do wzoru Nernsta na SEM ogniwa stężeniowego:

ΔV_K = (RT/F) ln([K⁺]_z/([K⁺]_w)

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.

W krzywej przebiegu potencjału czynnościowego wyróżnia się

1. Fazę depolaryzacji (potencjał rośnie do 30-35 mV)

2. Fazę repolaryzacji (potencjał maleje do wartości podprogowej)

3. Potencjał następczy hiperpolaryzacyjny i depolaryzacyjny (unormowanie wartości potencjału spoczynkowego)

2. Jaką 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.

3. Podaj 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

• pełnią funkcje obronne

• funkcja podporowa

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

• Jądro - Zawiera DNA, zachodzi w nim transkrypcja RNA

• Dendryt - Neurony zawierają tysiące dendrytów, odbierają one sygnały nerwowe.

• 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.

• 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. Osłonka mielinowa wymusza przepływ impulsów od przewężenia do przewężenia pełniąc rolę elektrycznej izolacji przyspieszającej sygnał elektryczny.

5. Na 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. Co 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.

7. Dlaczego 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.

8. Opisz 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).

Gdy impuls nerwowy dotrze do zakończenia aksonu powoduje otwarcie kanałów jonowych selektywnie wpuszczających jony wapnia. Jony te uaktywniają migrację pęcherzyków presynaptycznych (zawierających mediator - substancję chemiczną np. adrenalinę, noradrenalinę, acetylocholinę). Na drodze egzocytozy pęcherzyki te uwalniają zawartość do szczeliny synaptycznej.

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. 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. Jest to spowodowane istnieniem receptorów na błonie presynaptycznej, które zajmują się zwrotnym wychwytem (re-uptake) mediatora. Za usuwanie cząsteczek transmitera ze szczeliny synaptycznej odpowiedzialne są trzy mechanizmy: rozkładanie przez enzym (esterazę acetylocholinową), dyfuzyjna ucieczka ze szczeliny oraz ponowne "wciągnięcie" do pęcherzyków synaptycznych (endocytoza). Pewna część pęcherzyków w chwilę po wypuszczeniu transmitera nie wtapia się bowiem w błonę presynaptyczną, ale powraca do wnętrza kolbki synaptycznej.

9. Opisz 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)

10. Opisz proces sumowania w czasie.

W większości synaps depolaryzacja wywołana przez pojedynczy impuls nie wystarcza do wywołania potencjału czynnościowego we wzgórku aksonowym neuronu B. 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)

11. Podaj 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.

12. Co 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.

Sieć nerwowa, w skład której wchodzą nerwy obwodowe i komórki ośrodkowego układu nerwowego jest siecią bardzo złożoną. Liczba tworzących ją elementów jest u człowieka rzędu 10^11 co pozwala na analizę odbieranych bodźców zewnętrznych, przechowywanie informacji w pamięci, kojarzenie i porównywanie informacji oraz sterowanie czynnościami organizmu. Proces myślenia jest procesem wzajemnego oddziaływania komórek ośrodkowego układu nerwowego. Różnorakie połączenia neuronów umożliwiają uzyskanie układów zdolnych do wykonywania złożonych funkcji logicznych. Ciągi impulsów nerwowych przebiegające w układzie nerwowym mogą zostać odtworzone, nieraz po długim czasie. Zjawisko to określamy jako pamięć. Sygnały dochodzące z receptorów modyfikują w jakiś sposób układ nerwowy co przejawia się zmienionym typem odpowiedzi organizmu na dany bodziec.

Uproszczony schemat jednokierunkowej sieci neuronowej

13. Co 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 oraz (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

1. Budowa 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 o średnicy około 1μm, 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.

2. Co 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.

3. Podać 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

Faza 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 sarkomerów.

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

Wysoki gradient stężeń między środowiskiem zewnętrznym a wewnętrznym jest utrzymywany przez

• sarkolemę - barierę hydrofobową

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

5. Jaka 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

6. Co 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. Podaj 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 - proces zależnego od wapnia dostarczania wapnia: najpierw z połączeń szczelinowych a następnie z siateczki sarkoplazmatycznej

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

8. Co 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++. Wzrost stężenia jonów w cytoplazmie aktywuje skurcz każdej komórki mięśniowej.

9. Jakie 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

10. Jakie 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.

11. Co 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 nadając im jednocześnie właściwości sprężyste oraz właściwości lepkie w różnych kombinacjach połączeń równoległych i szeregowych.

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 dławik z cieczą o danej lepkości η, w której porusza się tłoczek, gdzie naprężenie: τ = η dγ/dt

12. Przedstaw model reologiczny Maxwella.

(dla tych, którzy zerkając na slajd 37 z wykładu 7 nie mają pojęcia, o co w nim chodzi: przytaczam dłuższe wytłumaczenie zaczerpnięte, a jakże, z Internetu)

Model ten składa się z szeregowo połączonych elementów Hooke'a i Newtona. Siła reakcji sprężystej jest równa sile reakcji lepkościowej. Natomiast całkowite odkształcenie (E) jest równe sumie odkształceń poszczególnych elementów: (E)_s i (E)_L.

Różniczkując obustronnie względem czasu otrzymamy zależność:

Wprowadzamy relacje, wynikające z prawa Hooke'a i prawa Newtona: E_S=σ(E), czyli po zróżniczkowaniu i przekształceniach otrzymujemy równanie różniczkowe:

Jest to ogólne równanie opisujące odkształcenia przy jednoosiowym naprężeniu w modelu Maxwella. Jeżeli poddana działaniu sił odkształcających próbka odkształci się o wartość  ₀, a następnie zostanie zamocowana w tym stanie odkształcenia, to naprężenie wzrośnie natychmiast do wartości σ₀=E ₀, a następnie będzie słabnąć w miarę zastępowania odkształcenia sprężystego przez odkształcenie lepkościowe. Odkształcenie pozostaje stałe w czasie, a zachodzić będzie relaksacja naprężenia, co oznacza, że:

W takim przypadku otrzymujemy równanie:

Rozwiązaniem jest funkcja, przedstawiająca relaksację naprężenia w modelu Maxwella:

, gdzie

Wielkość  ma wymiar czasu i nosi nazwę czasu relaksacji naprężeń. Na podstawie długości tego czasu Maxwell dokonał podziału między ciałami stałymi i cieczami. Załóżmy, że próbka zostanie obciążona przy stałym naprężeniu σ. Wówczas:

Czas relaksacji  (t) jest czasem przemiany sprężystego odkształcenia σ/E w odkształcenie lepkościowe przy stałym naprężeniu. Kryterium płynności wg Maxwella:

•  ok. 10^-11 s- materiał jest cieczą o dużej płynności

• 10^-4<<10⁴ s- materiał o dużej lepkości (woski, kity, asfalt)

• >10⁴ s- substancja jest ciałem stałym (duże efekty mechaniczne)

Relaksacja naprężeń w modelu Maxwella.

Wykład 9

1. Co 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.

2. Omów 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.

Zjawisko piezoelektryczne lub efekt piezoelektryczny to zjawisko fizyczne polegające na powstawaniu na przeciwległych ścianach niektórych kryształów ładunków elektrycznych przeciwnego znaku powierzchniach kryształu (zjawisko piezoelektryczne proste); a także: mechaniczna deformacja kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (zjawisko piezoelektryczne odwrotne). Piezoelektryczność występuje w tych kryształach, które nie mają swojego środka symetrii, np. w kryształach kwarcu. Materiały takie nazywane są piezoelektrykami.

3. Na 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 (Δt₁, Δt₂) określa się położenie danej struktury (d₁, d₂).

• Intensywność echa (A₁, A₂) odzwierciedla relacje pomiędzy impedancjami akustycznymi (Z₁, Z₂) tkanek.

4. Jakie 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)

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

Prezentacja A : Informacje uzyskane w postaci wartości chwilowych echa impulsów fal ultradźwiękowych odbitych od granic tkanek są odpowiednio przetwarzane elektronicznie i przedstawione na ekranie oscyloskopowym na podstawie czasu, który odpowiada głębokości ciała. 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. Dostarcza danych dwuwymiarowych (w przekroju).

6. Na 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.

7. W 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.

8. Jak 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. Co 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.

Widmo promieniowania rentgenowskiego dla antykatody zawierającej miedź. Widmo składa się ciągłego widma hamowania i linii promieniowania charakterystycznego.

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

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]

11. Jak 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.

12. Na 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.

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

Promieniowanie rentgenowskie powstaje przy przejściach elektronów na wewnętrzne powłoki elektronowe atomu, jego długości zawarte są w przedziale 0,1 pm do ok. 50 nm, tj. między promieniowaniem gamma i ultrafioletowym. Dzieli się na miękkie (większa długość fali, mniej przenikliwe) i twarde (większa długość fali, bardziej przenikliwe).

Źródłem promieniowania X jest aparat rentgenowski, reaktor jądrowy, akcelerator a także pierwiastki promieniotwórcze i wiele obiektów astronomicznych.

Własności promieniowania X:
- wszelkie substancje są dla promieni X w mniejszym lub większym stopniu przejrzyste
- są niewidzialne, ale wywołują fluorescencję
- wywołują jonizację powietrza

- wiele substancji fosforyzuje przy naświetlaniu promieniami X
- emulsje fotograficzne są czułe na promienie X, powodujące zaczernienie kliszy
- w próżni mają prędkość światła
- rozchodzą się po liniach prostych, ich tor nie zakrzywia się w polu magnetycznym ani elektrycznym
- padając na ciało naelektryzowane powodują, że ciało to traci ładunek

Zastosowanie promieni X:
- pierwszą dziedziną, w której wykorzystano promienie X była medycyna
- prześwietlają bagaże na lotniskach
- pomagają w defektoskopii (wykrywaniu wad metali) i budowaniu konstrukcji stalowych
- każdy odbiornik telewizyjny emituje promienie X, które jednak nie przedostają się przez szybę odbiornika
- używane są w fizyce jądrowej (mikroskopy elektronowe, cyklotrony, akcelatory)
- wykorzystywane są w badaniach pierwiastkowego składu chemicznego substancji oraz struktur kryształów
- umożliwiają obserwację przyćmionych ciał, np. pulsarów
- podczas I wojny światowej za pomocą promieni X szukano kul i ich odłamków w ciałach rannych żołnierzy
- W 1896 roku we Francji promienie X wykorzystywane były do diagnozowania gruźlicy
Jednak największe zastosowanie promienie X znalazły w medycynie- służą do otrzymywania obrazu organów wewnętrznych oraz leczenia schorzeń. Dzięki tomografowi rentegowskiemu udaje się uzyskać bardzo dokładny obraz nawet małych zmian chorobowych. Najczęściej robi się zdjęcia klatki piersiowej 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.

Promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem jonizującym. W dawkach stosowanych w medycynie nie powinno powodować działań niepożądanych, choć należy zachować ostrożność i nie nadużywać go. 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 nie badane części ciała.

Promieniowanie rentgenowskie mogą mieć zarówno widmo ciągłe jak i liniowe. Podczas zmniejszania się prędkości cząstek naładowanych powstaje widmo promieniowania hamowania (widmo ciągłe), jego maksymalne natężenie zależy od energii cząstek bombardujących (zazwyczaj elektrony). Widmo liniowe (widmo promieniowania charakterystycznego) zależy od rodzaju atomów emitujących to promieniowanie, składa się ono z grup linii tworzących serie widmowe, odpowiadające przejściom elektronów na odpowiednie zewnętrzne powłoki elektronowe.

Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do uzyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają m.in. na diagnostykę złamań kości i chorób płuc. Naświetlanie promieniami rentgenowskimi zabija komórki nowotworowe, co wykorzystuje się w radioterapii. Jednak przyjęcie dużej dawki promieniowania może powodować oparzenia i chorobę popromienną...

Tomografia komputerowa
Tomografia w skrócie CT (computed tomography) polega na wykonywaniu wykonywaniu kolejnych zdjęć rentgenowskich sterowanych komputerem badanego narządu w różnych płaszczyznach i pod różnym kątem. Pozwala to uzyskać warstwowy obraz, przedstawiający bardzo dokładnie nawet niewielkie zmiany chorobowe.
tomografia
Badanie przy użyciu tomografii komputerowej
Tomograf komputerowy składa się ze stołu, na którym leży pacjent, gantry, w której znajduje się lampa promieniowania rentgenowskiego wraz z detektorami oraz z komputerowej konsoli, na której programuje się i ogląda badania. Skaner tomografu komputerowego obraca się wokół leżącego pacjenta, wykonując co kilka stopni liczne pomiary. Na podstawie pomiarów gęstości osłabiania promieniowania komputer tworzy obrazy poprzecznych przekrojów ciała pacjenta uwidaczniające z dużą dokładnością tkanki organizmu i strukturę narządów. Poddane dalszej obróbce komputerowej przekroje poprzeczne mogą być źródłem obrazów trójwymiarowych. Obecnie rozdzielczość wynosi 1 mm, a zbadanie milimetrowej warstwy zajmuje sekundę. 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.

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.

---