Ewa Brzeziańska Wymagania do egzaminu z biofizyki (wykład I, II oraz ćwiczenia z antropometrii fizycznej oraz elementy biofizyki ukł. krążenia) I. Oddziaływanie czynników fizycznych na żywy organizm. 1. Wpływ drgań mechanicznych na organizm. Cechy fal i pola ultradzwiękowego. Generowanie ultradzwięków w medycynie efekt piezoelektryczny. Efekt mechaniczny i fizykochemiczny ultradzwięków. Biologiczne działanie ultradzwięków. Wpływ ultradzwięków na komórki, tkanki i narządy. 2. Ruch drgający. Przykłady ruchu drgającego. Okres drgań, częstotliwość amplituda drgań. Wahadło matematyczne jako przykład ruchu okresowego. Drgania harmoniczne przykłady drgania gasnące i drgania niegasnące. Prędkość i przyspieszenie w ruchu harmonicznym. Okres drgań w ruchu harmonicznym własności ruchu harmonicznego oscylator harmoniczny. Prawo Hooke'a. Oscylator Morse a. Potencjał Morse a. Spektroskopia oscylacyjna, spektroskopia w podczerwieni (IR). Widma spektroskopowe: emisyjne, absorpcyjne, optyczne rentgenowskie. Drgania oscylacyjne w cząstce. Widma oscylacyjne. Równanie ruchu harmonicznego prostego. Równanie ruchu oscylatora harmonicznego prostego. Ruch drgający a fale : interferencja, superpozycja fala stojąca. 3.Wibracje. Działanie biologiczne. Częstości rezonansowe. Choroba wibracyjna. Zespoły wibracyjne. Rezonans magnetyczny i mechaniczny a przemiany energii. Wartość energii w polu magnetycznym. 4. Wpływ przyspieszeń na organizm. Zasady dynamiki Newtona .pojecie ciężaru, masy. Siły bezwładności. Stan nieważkości. Przyspieszenia krótkotrwałe, o średnim czasie trwania: podłużne, poprzeczne, dodatnie i ujemne. Przyspieszenia o długim czasie trwania. 5. Wpływ zmienionego ciśnienia na organizm człowieka. Działanie fizyczne i biochemiczne zmiennego ciśnienia (hipobaria i hiperbaria).Aeroembolizm. Ebulizacja. Hipoksja. Wpływ hiperbarii: choba kesonowa. Hiperoksja. Narkoza azotowa. Prawo Boyle'a - Mariotte'a. Efekt Berta. Prawo Pascala. Prawo Arhimedesa. Prawo Toricelli ego. Prawo Henry ego. Prawo Fick a 6. Wpływ temperatury i wilgotności na organizm. Wpływ temperatury na szybkość procesów biochemicznych, prawo Arrheniusa. Energia aktywacji. współczynnik van't Hoffa . Stan entalpii i entropii. Przewodnictwo cieplne. Przewodność właściwa tkanki. Drogi wymiany ciepła: przewodzenie ciepła, konwekcja, promieniowanie, parowanie wody. Wzór na strumień ciepła przy konwekcji, parowanie, promieniowanie (wzór Boltzmanna).Układ termoregulacyjny u człowieka. II. Wpływ promieniowania jonizującego i niejonizującego na żywy organizm. 1. Podział promieniowania. yródła promieniowania jonizującego korpuskularnego (alpha, beta, neutronowego, protonowego) . yródła jonizujących promieni elektromagnetycznych (RTG, gamma). Powstawanie promieniowania rentgenowskiego. Przechodzenie promieniowania jonizującego przez substancję. Prawo osłabienia. Współdziałanie promieniowania jonizującego z materią. Jonizacja i wzbudzanie( oddziaływania niesprężyste). LET jako miara ilości przekazywanej energii. Współdziałanie ciężkich cząstek naładowanych z materią: niesprężyste zderzenia z elektronami powłok atomów, reakcja jądrowa, sprężyste zderzenia Współdziałanie jonizującego promieniowania z materią: efekt fotoelektryczny, rozproszenie comptonowskie, zjawiska tworzenia par elektron-pozytron. Podstawowe wielkości stosowane w dozymetrii promieniowania jonizującego. Pojęcie dawki, jednostki dawki: pochłonięta, ekspozycyjna, równoważna, efektywna, LD50, LD100. Biologiczne działanie promieniowania jonizującego: zasady pomiaru dawki w praktyce lekarskiej (komora jonizacyjna). Metody pomiaru dawki: luminescencyjna, fotograficzna. Względna skuteczność biologiczna promieniowania (RBE Relative biological effectivenes). Teoria trafień teoria tarczy. Działanie promieniowania pośrednie i bezpośrednie. Radioliza wody ustrojowej. Radioliza białek, lipidó1), uszkodzenia DNA. Efekt tlenowy wrażliwość komórek na natlenowanie. Stres oksydacyjny. Wolne rodniki. Nuklidy promieniotwórcze. Sztuczne izotopy promieniotwórcze, wykorzystanie w radioterapii. Typy rozpadów promieniotwórczych. Powstanie promieniowania rentgenowskiego i wykorzystanie w medycynie. Wpływ promieniowania joniującego: efekt scholastyczny i deterministyczny. 2. Wpływ promieniowania niejonizującego na żywy organizm. Podział promieniowania niejonizującego. yródła promieniowania niejonizującego. Absorpcja promieniowania niejonizującego przez atomy i cząsteczki. Stan wzbudzenia. Zjawiska fizyczne zachodzące w cząsteczkach wzbudzonych: wzbudzenie termiczne (świecenie termiczne) oraz wzbudzenie nietermiczne- luminescencja, diagram Jabłońskiego. Reakcje fotochemiczne.Fotosensybilizacja.(fotouczulanie). Tlen singletowy. Melanina jako indywidualny fotoprotektor. Fotomedycyna. Leczenie światłem IR. Przykłady biologiczne ważnych reakcji fotochemicznych. Fotodimeryzacja tyminy pod wpływem UV, Wytwarzanie Wit D3. Reakcja fotochemiczna widzenia. Fototerapia i fotochemoterapia: fototerapia żółtaczki, fotokancerogeneza, fitotoksyczne działanie porfiryn.Promieniowanie laserowe: właściwości promieniowania laserowego,. Wpływ promieniowania laserowego na tkanki: efekt fotobiochemiczny, fototermiczny, fotojonizacyjny .Efekt biostymulacyjny promieni laserowych. Zastosowanie laserów w medycynie. 3. Podstawy fizyczne metod obrazowania tkanek i narządów. Rentgenowska transmisyjna tomografia komputerowa KT. Spektroskopia i tomografia NMR. III Promieniowanie jonizujące i niejonizujące wpływ na strukturę DNA Promieniowanie jako fizyczny czynnik mutagenny. Promieniowanie jako zródło niestabilności mtDNA i niestabilności genomowej. Powstawanie pseudogenów mt DNA pod wpływem promieniowania jonizującego. Uszkodzenia radiacyjne kwasów nukleinowych: powstawanie uszkodzeń pośrednich i bezpośrednich DNA. Pęknięcia jednoniciowe (ssb), dwuniciowe (dsb) nici DNA, wiązania krzyżowe, powstanie dimerów DNA, uszkodzenia chromosomów wywołanych promieniowaniem (translokacje, chromosomy dicentryczne, przedwczesna kondensacja chromosomów). Kowalencyjne modyfikacje zasad zmieniające parowanie się zasad komplementarnych nici. Kowalencyjne modyfikacje uniemożliwiające tworzenie par zasad pomiędzy komplementarnymi nićmi. Przerwanie wiązania N- glikozydowego (hydroliza) i usunięcie zasady z DNA. Systemy naprawcze uszkodzeń radiacyjnych w komórce. Oznaczanie fluorescencyjne uszkodzeń radiacyjnych DNA w komórce metody: kometowa, FISH (hybrydyzacja in situ). Wpływ promieniowania jonizującego na cykl komórkowy: śmierć reprodukcyjna: zaburzenia morfologii chromosomów. Promieniowanie o wysokim i niskim LET. Wpływ mocy dawki oraz LET na efekt komórkowy promieniowania jonizującego. Teoria hormezy radiacyjnej. Promieniowanie jonizujące jako czynnik w apoptozie mitochondrialnej i nekrozie komórki. Skutki biochemiczne i biofizyczne napromieniowania bezpośrednie oraz radiotoksyczność (ROS, RNS).Popromienne procesy peroksydacyjne jako zjawisko efektu odwrotnie zależnego od mocy dawki (IDRE) . Radioterapia wykorzystanie w diagnostyce i leczeniu nowotworów. Najczęstsze typy uszkodzeń DNA wywołane promieniowaniem UV. Cyklobutanowe dimery pirymidynowe. Fotoproduktytypu 6-4 Uszkodzenia oksydacyjne. Pęknięcia nici DNA. Efekt karcinogenny promieniowania UV - nowotwory skóry. IV Właściwości elektryczne i magnetyczne materii oraz organizmów żywych 1 Charakterystyka pola elektrycznego i magnetycznego i ich wpływ na organizm żywy Ia Właściwości magnetyczne materii - właściwości magnetyczne substancji biologicznych - zjawisko rezonansu magnetycznego - biomagnetyzm -hipertermia magnetyczna -magnetoforeza Ib właściwości elektryczne materii -dielektryki - przewodniki jonowe, zjawisko dysocjacji -przewodność i przenikalność elektryczna komórek i tkanek - zjawiska elektrokinetyczne: elektroosmoza, elektroforeza - impedancja Ic współdziałanie pola magnetycznego i elektrycznego -zjawisko Halla -prądy wirowe 2 Charakterystyka promieniowania elektromagnetycznego i jego oddziaływania z materią: - przewodność oraz przenikalność elektryczna komórek i tkanek - działanie pól elektromagnetycznych na żywe organizmy - oddziaływanie pól elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości ( skutki termiczne, diatermia krótkofalowa, diatermia mikrofalowa) - zagrożenia wtórne spowodowane przez pole elektromagnetyczne - promieniowanie elektromagnetyczne PEM - zamiana promieniowania elektromagnetycznego w ciepło 3 Zastosowanie spektrofotometrii UV-Vis - przejścia elektronowe w cząsteczkach - prawa absorpcji promieniowania elektromagnetycznego ( prawa: Bouguera- Lamberta, Bouguera-Lamberta Beera oraz prawa addytywności) - odchylenia od prawa Bouguera-Lamberta-Beera - chromofory - przesunięcie Stokesa - postulaty Bohra 4 Spektroskopia elektronowego rezonansu paramegnetycznego EPR - podstawy spektroskopii EPR (zjawisko Zeemana, warunek rezonansu, wielkości charakteryzujących widma elektronowe) - typy relaksacji (oddziaływanie spin-sieć- czas relaksacji podłużnej T1, oddziaływanie spin-spin- czas relaksacji poprzecznej T2) - wykorzystanie spektroskopii w medycynie -metoda pułapkowania spinowego -znaczniki spinowe- zastosowanie Ćwiczenia 1. Zjawiska fizyczne towarzyszące przepływowi krwi w układzie krążenia, biofizyczne właściwości krążenia krwi. Elementy akustyki: fizyczne podstawy drgań i fal akustycznych (ruch drgający), charakterystyczne właściwości fal (amplituda, okres, częstotliwość, długość), Zasada Huygensa, fala tętna, fala stojąca, efekt Dopplera, prędkość rozchodzenia się fali tętna. Ciśnienie jako wielkość fizyczna: definicja ciśnienia (wzór), jednostki ciśnienia w układzie SI, prawo Pascala, ciśnienie hydrostatyczne, przepływ cieczy (laminarny, burzliwy), liczba Reynolds a (wzór), równowaga sił w układzie krwionośnym (równanie Lame a- wzór, związek między zmianą ciśnienia krwi i zmianą naprężenia sprężystego), ciśnienie tętnicze krwi u człowieka. Zjawiska elektryczne w organizmach biologicznych: bioimpedancja elektryczna, natężenie i napięcie prądu, opór elektryczny, obwód elektryczny, prawo Ohma, I i II prawo Kirchhoffa, przepływ laminarny krwi a opór elektryczny. 2. Antropometria fizyczna I. Zakres badań antropologii : fizycznej , klinicznej, kryminalnej i medyczno-sądowej. Antropometria: klasyczna dynamiczna i statyczna, ergonomiczna. Podstawowe instrumenty do pomiarów cech antropometrycznych. Kefalometria. Osteometria. Metody i techniki rekonstrukcyjne w kryminalistyce: technika superprojekcji , metody graficzno-opisowe na podstawie zdjęć , rekonstrukcja 2D (metody Gierasimowa/ Taylor / F.A.C.E. ), Rekonstrukcje 3D ( Metoda nakładania Superimposition. Metody analogiczne do metody Gierasimowa lub Taylor ale z komputerowym nakładaniem warstw . Age-Progressed Imagery . Postmortem Facial Reconstruction. Creaform 3D MegaCapturor. 3. Budowa ciała i jego poszczególnych części w ujęciu antropometrycznym a wybrane zespoły aberracji chromosomowych i zaburzeń endokrynnych Charakterystyczne punkty antropometryczne: twarzy, kończyny górnej, kończy dolnej, tułowia, dłoni, stopy . Fotogrametria przestrzenna. Zjawiska Moire'a, Wykorzystanie fotogrametrii w medycynie. Fotogrametria w analizie wad postawy ciała. Wskazniki antropometryczne które znalazły zastosowanie w medycynie (nosa, morfologiczny twarzy, głowy, międzykończynowy, wysklepienia czaszki). Wskazniki wagowo-wzrostowe (wskaznik Queteleta I, wskaznik Queteleta II (BMI), wskaznik smukłości, wskaznik dystrybucji tłuszczu WHR, wskaznik Rohrera. Typ budowy ciała człowieka (wg. typologii Kretschmera- pykniczny, leptosomiczny, atletyczny, dysplastyczny, wg. Typologii Sheldona: endomorficzna, mezomorficzna, ektomorficzna . Kraniometria, kranioskopia. Siatki centylowe . Główne zaburzenia cech antropometycznych charakterystycznych dla zespołów: Downa, Turnera, Klinefeltera oraz akromegalii, gigantyzmu przysadkowego, dysplazji szkieletowych, krzywicy hipofosfatemicznej. Literatura dotycząca treści wykładów 1. Podstawy biofizyki. Podręcznik dla studentów medycyny. Pod red A. Pilawski 2. Biofizyka. Podręcznik dla studentów. Pod red F. Jaroszyka