wykŁady 4-8

17
 WYKŁAD 4 1. Potencjał dyfuzyjny Jeśli po dwu stronach przegrody przepuszczalnej dla jonów wytworzyć żnicę stężeń, to na skutek dyfuzji będą one przechodziły (dyfundowały) z przedziału o stężeniu wyższym do przedziału o stężeniu niższym. Przepływ jonów pomiędzy przedziałami można zatrzymać. Pole elektryczne będzie powodowało ruch jonów(migrację) w stronę przeciwną do kierunku ich ruchu związanego z dyfuzją(różnicą stężeń). W ten sposób może dojść do równowagi pomiędzy str umieniem dyfuzyjnym i migracyjnym. Całkowity strumień przez przegrodę będzie równy zero i stężenia jonów po obu przedziałach przestaną się zmieniać. u  ruchliwość jonu (u=v/E)  c  stężenie jonu T  temperatura R  stała gazowa F  stała Faradaya z - wartościowość 2. Potencjał równowagi  Potencjał równowagi to różnica potencjałów elektrycznych hamująca ruch dyfundujących jonów. 3. Potencjał równowagowy Nernsta W komórkach mięśniowych stężenie K+ wynosi 144 mM, a w przestrzeni międzykomórkowej 4 mM Podstawienie tych danych do równania Nernsta daj e wartość -95 mV 4. Potencjał spoczynkowy Jest to różnica potencjałów elektrycznych między wewnętrzną i zewnętrzną stroną błony komórkowej. Wobec istniejących różnic stężeń indywidualne strumienie każdego z jonów nie są rów ne zero.  Potencjał spoczynkowy może być utrzymany, gdy suma ładunków przenoszonych przez jony w jednostce czasu (suma prądów jonowych) jest równa zero: I Na+IK+ICl = 0 W stanie spoczynku najlepiej przepuszczalne przez błonę są jony potasu, gorzej chlorkowe, najgorzej zaś sodowe. Równanie Goldmana-Hodgkina-Katza W komórce poza K+ jest wiele innych jonów, które też mogą wędrować przez błonę komórkową. Równanie to obejmuje trzy rodzaje jonów: K, Na, Cl Ponadto uwzględniona jest ich przepuszczalność P opisująca zdolność przenikania przez błonę komórkową. W równaniu stężenia jonów podano w nawiasach kwadratowych. Indeks z oznacza stężenie jonów na zewnątrz komórki, indeks w oznacza stężenie jonów wewnątrz komórk i. Wartość wkładu do wypadkowego potencjału istniejącego w komórce za leży od:  żnic stężeń poszczególnych jonów po obydwu stronach błony komórkowej  od przepuszczalności błony komórkowej w stosunku do przenikających przez nią jonów 

Upload: em0bx

Post on 13-Apr-2018

223 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 1/17

 WYKŁAD 4 

1. Potencjał dyfuzyjny Jeśli po dwu stronach przegrody przepuszczalnej dla jonów wytworzyć różnicę stężeń, to na skutek dyfuzji będą one

przechodziły (dyfundowały) z przedziału o stężeniu wyższym do przedziału o stężeniu niższym. Przepływ jonów pomiędzy przedziałami można zatrzymać. Pole elektryczne będzie powodowało ruch jonów(migrację) w

stronę przeciwną do kierunku ich ruchu związanego z dyfuzją(różnicą stężeń). W ten sposób może dojść do równowagi pomiędzy strumieniem dyfuzyjnym i migracyjnym. Całkowity strumień przez przegrodę będzie równy zero i stężenia jonów po obu przedziałach przestaną się zmieniać.  

u – ruchliwość jonu (u=v/E) c – stężenie jonu 

T – temperaturaR – stała gazowaF – stała Faradaya z - wartościowość 

2. Potencjał równowagi Potencjał równowagi to różnica potencjałów elektrycznych hamująca ruch dyfundujących jonów. 

3. Potencjał równowagowy Nernsta W komórkach mięśniowych stężenie K+ wynosi 144 mM, a w przestrzeni międzykomórkowej 4 mMPodstawienie tych danych do równania Nernsta daje wartość -95 mV

4. Potencjał spoczynkowy Jest to różnica potencjałów elektrycznych między wewnętrzną i zewnętrzną stroną błony komórkowej. 

Wobec istniejących różnic stężeń indywidualne strumienie każdego z jonów nie są równe zero. Potencjał spoczynkowy może być utrzymany, gdy suma ładunków przenoszonych przez jony w jednostce czasu (suma

prądów jonowych) jest równa zero: 

INa+IK+ICl = 0W stanie spoczynku najlepiej przepuszczalne przez błonę są jony potasu, gorzej chlorkowe, najgorzej zaś sodowe. Równanie Goldmana-Hodgkina-KatzaW komórce poza K+ jest wiele innych jonów, które też mogą wędrować przez błonę komórkową.  Równanie to obejmuje trzy rodzaje jonów: K, Na, ClPonadto uwzględniona jest ich przepuszczalność P opisująca zdolność przenikania przez błonę komórkową. 

W równaniu stężenia jonów podano w nawiasach kwadratowych. Indeks z oznacza stężenie jonów na zewnątrz komórki,indeks w oznacza stężenie jonów wewnątrz komórki. 

Wartość wkładu do wypadkowego potencjału istniejącego w komórce zależy od: 

  różnic stężeń poszczególnych jonów po obydwu stronach błony komórkowej 

  od przepuszczalności błony komórkowej w stosunku do przenikających przez nią jonów 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 2/17

1. Przepuszczalność błony Zmiany przepuszczalności błony dla poszczególnych typów jonów są możliwe dzięki obecności w błonie kanałów jonowych.

Otwieranie się lub zamykanie kanałów(selektywne) umożliwia komórce kontrolę nad przepływem prądów poszczególnych jonów.

Równanie GoldmanaGeneracja potencjału czynnościowego zależy głównie od zmian w wartościach przepuszczalności P dla przenikających

 jonów.Przepuszczalność P[n-tego jonu] jest informacją o liczbie otwartych kanałów omawianego jonu.W porównaniu z wieloma innymi cząsteczkami jony przenikają bardzo słabo przez błonę komórkową. Niskie ===> wysokie przewodnictwoNa, K, Cl, glukoza, glicerol, woda

2. Potencjał czynnościowy komórek Niektóre z komórek prócz utrzymywania potencjału spoczynkowego są zdolne dodatkowo do szybkiej i krótkotrwałej zmiany

potencjału błonowego – będziemy je nazywali komórkami pobudliwymi. Potencjał czynnościowy powstaje, gdy potencjał jej błony przekroczy graniczną wartość nazywaną progiem pobudzenia. Wielkość bodźca pobudzającego nie ma wpływu na jego przebieg. Przykład potencjału czynnościowego 1 depolaryzacja (wzrost) 2 repolaryzacja (spadek) 3 hiperpolaryzacja (utrzymujący się nisko) Fazy:1.gwałtownego wzrostu potencjału błonowego(depolaryzacji) 2.nieco powolniejszego spadku potencjału błony (repolaryzacji) 3.Okresu, gdy potencjał błony jest niższy od potencjału spoczynkowego(hiperpolaryzacji) W fazie depolaryzacji wzrost potencjału błony jest związany z napływem do wnętrza dodatnich jonów (w komór ce nerwowej

są to Na+) 

W czasie repolaryzacji ustaje dokomórkowy Na+, wzrasta natomiast odkomórkowy prąd potasowy K+ Prąd K+ płynie również wówczas, gdy potencjał błony osiąga wartość potencjału spoczynkowego –  powoduje to, że

komórka wchodzi w fazę hiperpolaryzacji.Dopiero gdy ustanie prąd potasowy [K+] błony powraca do wartości spoczynkowej, Na chwilowe wartości prądów płynących przez błonę komórkową mają wpływ dwa czynniki:  

  chwilowa przepuszczalność błony dla danego typu jonów 

  aktualna wartość potencjału błonowego Zachowanie się kanałów jonowych podczas generacji potencjału czynnościowego 

Otwarcie w błonie specjalnych kanałów jonowych stwarza warunki do chwilowego przepływu stosunkowo dużego

strumienia jonów Na+, K+, Cl-, co powoduje powstanie potencjału czynnościowego 

WYKŁAD 5. POTENCJAŁ CZYNNOŚCIOWY 

  powstaje w komórce pobudliwej, gdy potencjał jej błony przekroczy pewną graniczną wartość – próg pobudzenia

  wielkość bodźca pobudzającego nie ma wpływu na jego przebieg 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 3/17

FAZY POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO KOMÓRKI 1. Gwałtowny wzrost potencjału błonowego – depolaryzacja2. Nieco powolniejszy spadek potencjału błonowego – repolaryzacja3. Okres gdy potencjał błonowy jest niższy od potencjału spoczynkowego – hiperpolaryzacja

ZMIANY PRZEWODNICTWA BŁONY W CZASIE TRWANIA POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO 1. W fazie depolaryzacji  – wzrost potencjału błony jest związany z napływem do wnętrza dodatnich jonów (w komórce

nerwowej są to Na+) 2. W czasie repolaryzacji – ustaje dokomórkowy prąd Na+, wzrasta natomiast odkomórkowy prąd potasowy K+ 

3. Prąd K+ płynie również wówczas, gdy potencjał błonowy osiąga wartość potencjału spoczynkowego – powoduje to, żekomórka wchodzi w fazę hiperpolaryzacji. Dopiero gdy ustanie prąd K+ błona powraca do wartości spoczynkowej

NA CHWILOWE WARTOŚCI PRĄDÓW PŁYNĄCYCH PRZEZ BŁONE MAJĄ WPŁYW:  

  chwilowa przepuszczalność błony dla danego typu jonów 

  aktualna wartość potencjału błonowego KANAŁY JONOWE:   selektywność 

  kontrolowanie stanu przewodzeniaW BŁONIE KOMÓRKOWEJ ISTNIEJE WIELE TYPÓW KANAŁÓW: 

  specjalny rodzaj kanałów potasowych jest stale otwarty i przepływ przez te kanały generuje potencjał spoczynkowy   istnieją kanały, które biorą udział tylko w wytwarzaniu potencjału czynnościowego. Podczas tego potencjału są one

zamknięte.ZACHOWANIE SIĘ KANAŁÓW JONOWYCH PODCZAS GENERACJI POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO Otwarcie w błonie specjalnych kanałów jonowych stwarza warunki do chwilowego przepływu stosunkowo dużego

strumienia jonów Na=, K+, Cl-, co powoduje powstanie potencjału czynnościowego.AKTYWACJA I INAKTYWACJA KANAŁÓW Cechą charakterystyczną kanałów, biorących udział w generacji potencjału czynnościowego, jest zaprogramowana w ich

funkcjonowaniu:

  Aktywacja – szybkość otwierania, czas otwarcia 

  Inaktywacja – czas zamykania

JEDNOKIERUNKOWE WYPŁYWY JONÓW W czasie wytwarzania potencjałów czynnościowych jony przepływają przez błonę zgodnie z ich gradientamielektrochemicznymi

Przepływające prądy przenoszą niewielki ułamek całkowitej ilości jonów obecnych po obydwu stronach błony kom.Zmiana pot wnętrza komórki z -90 mV na +30 mV, oznacza przepływ przez 1μm2 powierzchni błony około 6300 Na+ W 1μm3 płynu międzykomórkowego jest ich ok. 108  Aby wyrównało się stężenie Na+ po obydwu stronach błony komórkowej, należałoby przeprowadzić ponad 10 000

stymulacjiSKUTEK JEDNOKIERUNKOWYCH WYPŁYWÓW JONÓW Po jakimś czasie nieuzupełniane stężenie jonów K+ w komórce i gromadzące się w jej wnętrzu jony Na+ obniżałyby swoje

stężenia po obu stronach błony komórkowej Powodowałoby to stopniowe obniżanie potencjału Goldmana-Hodgkina-Katza, z czasem prowadząc do jego zaniku. POMPA SODOWO-POTASOWABłona komórkowa wyposażona jest w mechanizm uzupełniający stężenie jonów K+ wewnątrz komórki i usuwający nadmiar

Na+ w jej wnętrzu. 

ROZCHODZENIE SIĘ POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO W AKSONIE   Duży akson otoczony osłonką mielinową – od 100 m/s  Mały akson bez osłonki – do 1 m/sROZCHODZENIE SIĘ POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO W AKSONIE NIEMIELINOWANYM Lokalne pobudzenie ponadprogowe aksonu niemielinowanego prowadzi do powstania potencjału czynnościowego. Ta

lokalna depolaryzacja zostaje przeniesiona wzdłuż aksonu, aktywując kanały sodowe. Depolaryzacja rejonów sąsiadującychz miejscem pobudzenia spowodowana jest przez prądy wzdłużne. Przebieg depolaryzacji ma charakter jednokier unkowy:

pobudzone wcześniej kanały sodowe są w stanie refrakcji, a przewodnictwo potasowe tego rejonu jest podwyższone. Faladepolaryzacji może rozchodzić się jedynie w kierunku miejsc, które nie uległy jeszcze refrakcji. 

Ładunek na błonie rozłożony jak w kondensatorze: od strony zewnętrznej dodatni, od wewnętrznej - ujemny. Oznacza to,iż prądy wzdłużne po obu stronach błony mają te same natężenia, lecz przeciwne kierunki. Natężenia tych prądów zależą odlokalnej różnicy potencjałów, przewodnictwa elektrycznego ośrodka i promienia przekroju aksonu. Przewodnictwo ośrodkazewnętrznego znacznie przewyższa przewodnictwo wnętrza aksonu. Prądy wzdłużne wewnątrz i na zewnątrz aksonu muszą

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 4/17

mieć tę samą wartość natężenia, zatem czynnikiem decydującym o szybkości przemieszczania się ładunków wzdłuż błony jest przewodnictwo środowiska wewnątrz aksonu. W aksonach niemielinowanych szybkość ta jest tym większa, im grubszy jest akson.

ROZCHODZENIE SIĘ POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO W AKSONIE MIELINOWANYM Osłonki mielinowe, formowane przez komórki Schwanna lub komórki skąpowypustkowe, stanowią izolację elektryczną

aksonu. Opór błony mielinowanej jest znacznie większy niż niemielinowanej, pojemność natomiast znacznie mniejsza, cosprawia, że właściwości transmisyjne aksonu mielinowanego są znacznie lepsze niż aksonu pozbawionego osłonki. W osłoncemielinowej występują przerwy – przewężenia Ranviera, w których znajduje się bardzo duża ilość napięciowo zależnychkanałów sodowych. Impuls nerwowy, podczas przechodzenia przez osłonkę, ulega zmniejszeniu. Jednak dochodząc dokolejnych przewężeń Ranviera, ulega "regeneracji" przez wywołanie w tym miejscu potencjału czynnościowego. W warunkachfizjologicznych odległość między kolejnymi przewężeniami jest tak dobrana, aby każdy potencjał docierający do kolejnego

przewężenia był potencjałem ponadprogowym. Impuls ulega przesyłowi jednokierunkowo – na podobnej zasadzie jak w aksonie niemielinowanym. Prędkość rozchodzenia

się impulsu jest proporcjonalna do promienia aksonu mielinowanego i u ssaków dochodzi do 120 m/s (432 km/h).

W aksonach niemielinowanych o średnicy do około 0,5 mikrometra szybkość rozchodzenia się potencjału czynnościowego jest większa niż w aksonach mielinowanych, powyżej 0,5 mikrometra mielinowane przewodzą szybciej. 

Właściwości elektryczne błony komórkowej i tkanek 

PRAWO OHMA

R- opór [Ω] L – długość S – przekrój poprzecznyρ – opór właściwy [Ω/m) 

I = 1/R * U

R = ρ * l/s 

KONDUKTYWNOŚĆ  – przewodność elektryczna właściwa (jednostka - simens)Zależy od: rodzaju i stężenia ładunków elektrycznych występujących w substancji  

możliwości ruchu tych ładunków po przyłożeniu pola elektrycznego CIAŁA WYSTĘPUJĄCE W PRZYRODZIE DZIELIMY NA 3 GRUPY:  

  Przewodniki – konduktywność w granicach 10^8-10^6 S/m

  Półprzewodniki – konduktywność w granicach 10^-7 – 10^-8 S/m

  Dielektryki – konduktywność w granicach 10^-9 – 10^-18 S/mPOLARYZACJA dielektryka ELEKTRONOWA

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 5/17

  Powstaje w atomie indukowany dipol elektryczny

   Atomy nie zmieniają swych położeń, deformacji ulegają tylko ich powłoki POLARYZACJA ATOMOWA

Jeżeli dielektryk zbudowany jest z cząsteczek to w polu elektrycznym zdeformowane atomy, tworzące cząsteczkę, ulegająwzajemnemu przesunięciu. Pojawia się wówczas indukowany dipol cząsteczkowy. POLARYZACJA DEFORMACYJNA

Polaryzacja elektronowa i atomowa noszą nazwę polaryzacji deformacyjnej, a dipole wytworzone w wyniku takiejpolaryzacji nazywane są dipolami sprężystymi. POLARYZACJA ORIENTACYJNA

Dipol trwały (sztywny) – cząsteczka ma trwałe właściwości dipolowe bez pola zewnętrznego (E=0) POLARYZACJA JONOWA - Komórka znajduje się w stałym polu elektrycznym POLARYZACJA ORIENTACYJNA W ZMIENNYM POLU ELEKTRYCZNYM

W zmiennym polu elektrycznym dipole zmieniają swój kierunek na przeciwny po czasie T/2 Dla dużych częstotliwości kąt obrotu dipoli może zmaleć do zera -> zanika polaryzacja orientacyjna -> maleje przenikalność

elektryczna εr  

STRATY DIELEKTRYCZNEW dielektryku w zmiennym polu elektrycznym, podczas obracania się dipoli w takt zmian pola, dochodzi do „tarcia” i

wytwarzania ciepła. WZGLĘDNA PRZENIKALNOŚĆ DEILEKTRYCZNA εr - STAŁA DIELEKTYRCZNA 

Opisuje zdolność polaryzowania się materiału dielektr yka.W materiale biologicznym istnieją wszystkie rodzaje dipoli i występują też wszystkie mechanizmy polaryzacji.  POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA 

 A – pojemność okładek d – odległość między okładkami ε0- przenikalność elektryczna próżni εr – względna przenikalność elektryczna

O WŁAŚCIWOŚCIACH ELEKTRYCZNYCH TKANKI DECYDUJĄ WŁAŚCIWOŚCI:   komórek

  substancji międzykomórkowej KOMÓRKA

cytoplazma – złożony elektrolit, którego konduktywność zależy od stężenia i ruchliwości jonów. Makrocząsteczki (np. białka) są trwałymi lub indukowanymi dipolami elektrycznymibłona komórkowa – izolator

  konduktywność 10^-6 – 10^-4 S/m

  pojemność 0,1 – 31 μF/m^2 ELEKTRYCZNY UKŁAD ZASTĘPCZY KOMÓRKI PRZEWODNIK O CECHACH DIELEKTRYKA

Jeżeli materiał posiada cechy przewodnika i dielektryka, to przy przepływie prądu należy poza konduktancją (1/ ρ)uwzględnić jego cechy dielektryczne (ε)  impedancja ( epsilon- opór całkowity)

WYKŁAD 6 Wpływ temperatury i wilgotności na organizm człowieka Temperatura i ciepło Ciepło – ilość energii, jaką ciało zyskuje lub oddaje, mierzy się je w jednostkach energii.  Temperatura- określa stopie ogrzania ciała, od temperatury zależy szybkość reakcji chemicznych, współczynnik dyfuzji,

lepkość, potencjały elektrolityczne? 

Pomiar temperatury, wykorzystujemy wywołaną zmianą temperatury zmiany celu fizycznych właściwości; -zmian liniowych rozmiarów (ciało ścisłe) -zmiana objętości (ciecze i gazy) -zmiana oporu elektrycznego (przewodniki, półprzewodniki) 

Temperatura miarą średniej energii kinetycznej 

Ekśr  = 3/2 * kTW gazie idealnym temperatura T (w stopniach Kelvina) jest związana ze średnią energią ruchu postępowego cząsteczek

gazu poprzez stałą Boltzmanna (k). 

*Skala temperatur Celsjusza i Fahrenheita

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 6/17

T Fahrenheita = 32+9/5 T Celsjusza*Celsjusz – wykorzystał 2 stałe punkty, temp. wrzenia i topnienia wody.

*Skala KelvinaT Kelvina = 273 + T CelsjuszaPojęcie zera bezwzględnego 

*Pomiary ilości ciepła –  pomiarami zajmuje się kalorymetria: - zwykle mierzymy ilość ciepła ΔQ jakie ciało zyskuje luboddaje

ΔQ = m * Cw (tk  – tp)m- masa ciała Cw – ciepło właściwe Tp i tk- temp. Początkowa i końcowa 

Ciepło właściwe – ilość ciepła, która trzeba dostarczyć aby ogrzać 1kg ciała o 1 stopień Celsjusza 

*Średnia wartość ciepła właściwego dla ciała ludzkiego to 35KJ / (kg * K) = duża pojemność cieplna organizmu. 

Ciekawostka: duża zawartość H2O w tkankach umożliwia utrzymanie stałej temp. ciała 

*Ciepło potrzebne do zmiany stanu skupienia (przemiana fazowa) topnienie i parowanie wymagają dostarczenia ciepła 

*Ciepło przemiany – ilość ciepła, jaką trzeba dostarczyć jednostkowej masie substancji aby przeprowadzić ją z jednej fazydo drugiej.

H20 Ciepło topnienia (kJ/kg)  Ciepło parowania 333 2256

Parowanie pochłania dużo ciepła, ma bardzo znaczny udział w usuwaniu ciepła z organizmu, może prowadzić dowyziębienia organizmu (mokre ubranie). 

Szybkość parowania a wilgotność Ww = (w0/w max) * 100%

Wilgotność względna (Ww) powietrza , w0- ilość pary wodnej w powietrzu, w max - ?Przy niskiej wilgotności parowanie jest najszybsze, przy wzroście wilgotności proces przebiega wolno, zahamowany jest

gdy wilgotność = 100% 

Transport ciepła *Procesy biorące udział w termoregulacji: -parowanie-przewodnictwo

-konwekcja-promieniowanie

Przewodzenie ciepła : Q = Sk () * t 

S- powierzchnia,k- współczynnik przewodności cieplnej, ΔT- różnica temperatury, 

t- czas przepływu, L- grubość przewodzącego materiału 

Wartość przewodności cieplnej: stal > szkło > powietrze / w tym kierunku maleje przewodność, powietrze słabo przewodziciepło/ 

Konwekcja – polega na przenoszenia ciepła wraz z substancją (ośrodki ciekłe i gazowe)  *grzejniki*czajnik (mniejsza gęstość u góry, a większa gęstość niżej) Φ = α S ( Ts – Tp)Φ- strumień ciepła oddawany do powietrza, α- współczynnik ostygania (zależy od gęstości powietrza) 

Konwekcja wymuszona – transport substancji niosącej ciepło pod wpływem wywieranego ciśnienia Np. transport ciepła rurociągiem z elektrociepłowni, transport ciepła przez płyn chłodzący. 

Promieniowanie ciepła –  ciepło przenosi się z 1 do 2 ciała bez przewodnictwa materii przez promieniowanieelektromagnetyczne : np. ciepło słońca na Ziemi, ogrzewanie ludzi wokół ogniska. 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 7/17

Każde ciało T > 0K wysyła fale elektromagnetyczne o energii: 

E = kT4 

E – wypromieniowana energia, k- stała Boltzumana = 5,67*10^-8 (Wm^-2)K^-4, T- temp. K*długość emitowanych fal zależy od Temperatury *ciało o T > 770K są źródłem fal dłuższych niż światło widzialne (podczerwień). 

Promieniowanie elektromagnetykaa)Promieniowanie termiczneWidmo ciągłe dla dowolnej temp. Ciało wysyła rożne długości fali przy określonym natężeniu fali 

Prawo Wiena – długość fal promieniowania o max natężeniu λm emitowanym przez ciało o temp. (T) . Temp. Ludzkiegociała = 310 K 

Λm = = 9,3 nm <- długość fali maksymalnego natężenia przez ludzkie ciało Właściwości promieniowania cieplnego: rozchodzi się po liniach prostych, podlega absorpcji i odbiciu, powierzchnie

wypolerowane i błyszczące odbijają promieniowanie. 

Zwiększenie szybkości ruchu powietrza (wiatr) powoduje wzrost utraty ciepła przez konwekcję oraz parowanie. Im niższatemperatura, tym bardziej wiatr wpływa na odczuwalną temperaturę (tym chłodniej ją odczuwamy). 

W wodzie tracimy ciepło głównie przez przewodnictwo i konwekcję. Promieniowanie cieplne nie opuszcza tkanek, bo jest

odbijane na granicy faz- naskórek/woda.

Produkcja ciepła jest efektem ubocznym przetwarzania energii wiązań chemicznych na inne formy energii potrzebnej dożycia. Zamianie jednej formy energii na inną towarzyszy rozpraszanie energii w postaci ciepła (II zasada termodynamiki). 3/4energii dostarczonej organizmowi uwalnia się w postaci ciepła. 

W organizmie 70kg człowieka- zapotrzebowanie 1800 kcal na dobę M = = około 86,9W - moc z jaką produkowane jest ciepło. Minimalna produkcja energii w spoczynku to około 1W/kg. Przy ciężkiej pracy produkcja ciepła wzrasta 10-krotnie.

TermoregulacjaTo zespół czynników fizycznych i fizjologicznych pozwalających na utrzymanie stałej temperatury ciała - zabezpiecza przed

przegrzaniem i wyziębieniem. Subiektywne odczucia związane z termoregulacją to wrażenia ciepła i zimna. Odczuwanie zimna towarzyszy zwiększonemu odpływowi ciepła z naszego ciała (szybko przekazujemy energię)  

*Zabezpieczenia przed przegrzaniem:1. etap- przyjęcie pozycji, w której zwiększa się powierzchnia oddawania ciepła, rozszerzenie naczyń krwionośnych, szybka

praca serca, szybki, płytki oddech. 2 etap- wydzielanie potu*Zabezpieczenia przed wyziębieniem: 1 etap- przyjęcie postawy zmniejszającej powierzchnię utraty ciepła, zwężenie naczyń krwionośnych 2 etap- wzmożenie przemiany materii, skurcze i drżenie mięśni,. 

Zwiększenie szybkości ruchu powietrza (wiatr) powoduje wzrost utraty ciepła przez konwekcję oraz parowanie. Im niższatemperatura, tym bardziej wiatr wpływa na odczuwalną temperaturę (tym chłodniej ją odczuwamy). 

W wodzie tracimy ciepło głównie przez przewodnictwo i konwekcję. Promieniowanie cieplne nie opuszcza tkanek, bo jestodbijane na granicy faz- naskórek/woda.

TermoregulacjaTo zespół czynników fizycznych i f izjologicznych pozwalających na utrzymanie stałej temperatury ciała- zabezpiecza przed

przegrzaniem i wyziębieniem. Subiektywne odczucia związane z termoregulacją to wrażenia ciepła i zimna. Odczuwanie zimna towarzyszy zwiększonemu odpływowi ciepła z naszego ciała (szybko przekazujemy energię) 

Jądro termiczne i powłoka termiczna:   powłoka zawiera 20-50% masy ciała, temp . 25-35°C

   jądro zawiera 50-80% maci ciała, temp. ok. 37°C 

WYKŁAD 7. 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 8/17

1m3 powietrza – 1,25kg na poziomie morza

CIŚNIENIE NORMOBARYCZNE 1atm = 760 mmHg = 101,3 kPa

WPŁYW OBNIŻONEGO CIŚNIENIA ρ0 – gęstość powietrza na poziomie morza p0- ciśnienie powietrza na poziomie morza g – przyspieszenie ziemskie

EFEKTY MECHANICZNE1. efekty wynikające z prawa Boyle’a i Mariotte’a 

  pV = const=nRT

  niewielkie spadki ciśnienia są przyczyną nieprzyjemnych odczuć ze strony: o  przewodu pokarmowegoo  ucha środkowego o  ubytków zębowych 

  nagły, duży spadek ciśnienia może uszkodzić tkankę płucną 2. efekty wynikające z prawa Henry’ego 

  c = αp 

  w danej objętości cieczy, przy stałej temperaturze liczba moli gazu rozpuszczonego jest proporcjonalna do jegociśnienia parcjalnego nad cieczą 

  niedotlenienie – spada ilość tlenu związanego z hemoglobiną i dostarczonego tkankom 

  zaburzenia krążenia – część rozpuszczonego gazu wydziela się z roztworu w formie pęcherzyków czopując małe

naczynia krwionośne 3. efekty wynikające ze zmiany temperatury wrzenia 

EFEKTY CHEMICZNEzmiana ciśnienia -> zmiana powinowactwa tlenu do hemoglobiny-> zmiana zawartości tlenu we krwi 

NIEDOTLENIENIERodzaj i rozległość objawów zależy od: 

  wysokości 

  szybkości osiągania wysokości 

  czasu pobytu na wysokości 

  aktywności fizycznej 

  aklimatyzacji

Reakcje organizmu:  zwiększenie wentylacji płucnej 

  przyspieszenie akcji serca

  wzrost liczby erytrocytów i hemoglobinyBardzo silne niedotlenienie może prowadzić do śmierci, u osób niezaadaptowanych występuje powyżej 7000 m  

CZAS TRWANIA REAKCJI ADAPTACYJNYCHWskaźniki  Czas powstania zauważalnych

zmianCzas powstania maksymalnych

zmianPodwyższona wentylacja  natychmiast Tygodnie

Zwiększona częstość skurczówserca

Natychmiast Tygodnie

Podwyższone stężeniehemoglobiny

Dni-tygodnie Tygodnie

Podwyższona gęstośćkapilarów

Tygodnie miesiące 

Podwyższona aktywnośćenzymów tlenowych w mięśniu 

Tygodnie Miesiące 

Podwyższona gęstośćmitochondriów w mięśniuszkieletowym

tygodniemiesiące 

Podwyższona erytropoeza  Dni Tygodnie

WPŁYW PODWYŻSZONEGO CIŚNIENIA (każde 10m wody to podwojenie ciśnienia atmosferycznego) Raptowny wzrost ciśnienia prowadzi do urazów uszu i zatok przynosowych, zgniecenia.Efekty chemiczne:- zakłócenie równowagi między środowiskiem gazowym i

tkankami ustroju  zatrucie tlenemo  porażenie dróg oddechowych i tkanki płucnej 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 9/17

o  uszkodzenie ośrodkowego układu nerwowego   konwulsjeo  krwotok do ucha wewnętrznego o  uszkodzenia oka  pogorszenie ostrości widzenia   upośledzenie zdolności rozpoznawania barw 

  zatrucie azotemo  wzrost ciśnienia powoduje zwiększenie nasycenia

azotem tkanki nerwowej prowadząc do powstania: 

  halucynacji wzrokowych i słuchowych 

  euforii  zaniku poczucia czasu  obniżenia zdolności umysłowych i fizycznych 

  zatrucie CO2o  bóle głowy o  trudności oddechowe o  ogólne zmęczenie o  zawroty głowy o  nudności 

o  zaburzenia psychiczne

DEKOMPRESJA- zbyt szybki powrót na powierzchnię powoduje, wynikające z dekompresji, uwalnianie gazów z płynów ustrojowych - występują zaburzenia zwane chorobą dekompresyjną lub kesonową 

  postać ostra choroby kesonowej o  bóle stawówo  niewydolność oddechowa i krążeniowa 

o  zaburzenia czuciao  utrata przytomności 

  postać przewlekła o  dysbaryczna martwica kości spowodowana zablokowaniem odżywiających kości naczyń LECZNICZE ZASTOSOWANIE HIPERBARII:

  w celu zmniejszenia i usuwania pooperacyjnych zatorów powietrznych  przy leczeniu zgorzeli gazowej

  przy leczeniu zatrucia CO2

  przy leczeniu uszkodzenia tkanek przez radioterapię 

WPŁYW PRZYSPIESZEŃ CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SKUTKI PRZYSPIESZEŃ: 

  wartość przyspieszenia 

  czas trwania

  kierunek i zwrot

  szybkość zmian przyspieszenia 

  kondycja i wcześniejszy trening organizmu 

W medycynie i fizjologii przyjęto określanie wartość przyspieszenia w odniesieniu do przyspieszenia ziemskiego g: a= ng

g=9,81 m/s2

KIERUNKI I ZWROTY PRZYSPIESZEŃ: + Gz – od głowy do stóp - Gz – od stóp do głowy + Gx – od mostka do pleców

- Gx – od pleców do mostka+ Gy – od prawej do lewej- Gy – od lewej do prawej

PRZYSPIESZENIA PODŁUŻNE +Gz - pozorne zwiększenie masy ciała 

- już przy 2,5 kg występują trudności w poruszaniu kończynami - przesunięcie narządów wewnętrznych w dół - największe zmiany występują w układzie krążenia - utrata widzenia obwodowego -> 3,5 – 4 g- utrata widzenia centralnego -> 4,5 – 5,5 g

- Gz - bardziej szkodliwe niż + - przy 2-3g pojawia się ból głowy i zaburzenia oddychania - znaczne zmiany rytmu serca i w układzie nerwowym- przy przyspieszeniach udarowych powstają wylewy krwi do tkanki mózgowej 

STAN NIEWAŻKOŚCI Powoduje:

  zaburzenia orientacji przestrzennej

  wzrasta różnica między ciśnieniem skurczowym irozkurczowym

  maleje adaptacja układu krążenia do wysiłku 

  następuje odwapnienie kości 

WYKŁAD 8. dźwięki słyszalne – 20Hz – 20kHz

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 10/17

>20 kHz – ultradźwięki 

ULTRADŹWIĘKI W PRZYRODZIE: 

  niektóre zwierzęta – psy

  aktywna echolokacja – nietoperze, ssaki morskie

WYTWARZANIE ULTRADŹWIĘKÓW: 

  metoda mechaniczna – piszczałki Galtona 

  metoda piezoelektryczna

nazywamy zjawisko powstawania indukcji elektrycznej w ciele stałym pod wpływem naprężeń. Zjawisko to powstaje tylkow pewnych ciałach stałych, mających uporządkowaną budowę atomów i wykazujących właściwą budowę tej symetrii 

Odwrotnym zjawiskiem piezoelektrycznym nazywamy zjawisko powstawania odkształceń kryształu pod wpływem polaelektrycznego.

  metoda magnetostrykcyjna

ZASTOSOWANIA ULTRADŹWIĘKÓW: 

  nawigacja

  badania oceanograficzne

  rybołówstwo 

  armia

  badania defektoskopowe – o  powyżej 0,5 MHz (długość fali powinna być mniejsza

od wykrywanych niejednorodności) 

o  badanie nieniszczące o  np. badania szyn kolejowych z V do 70 km/h

  oczyszczanie powierzchni

  mieszanie

  emulgowanie  odgazowywanie

  krystalizacja

WYKORZYSTANIE ULTRADŹWIĘKÓW 

  działanie bierne - promieniowanie o małej długości fali i niewielkim natężeniu, które nie wpływa na właściwości ośrodka 

  wykorzystanie diagnostyczneo  badania struktur ruchomych np. pomiar szybkości przepływu krwi, rejestracja skurczów serca  o  ultrasonografia

EFEKT DOPPLERAZjawisko to występuje, gdy źródło fali i odbiornik przemieszczają się względem siebie. Polega na zmianie częstotliwości

odbieranej w stosunku do nadawanej.

  pomiar szybkości przepływu krwi Δf=f 0 *(2u cosᵠ)/c

ULTRASONOGRAFIA- podstawą działania ultrasonografów jest zjawisko echa powstające przy częściowym odbijaniu się ultradźwięków od

powierzchni granicznych pomiędzy kolejnymi tkankami - w obrazowaniu ultrasonograficznym wykorzystuje się wiązkę odbitą od granicy dwóch ośrodkowy czyli tzw. echo - wielkościami bezpośrednio mierzonymi są czas powrotu i natężenie echa 

Ip- natężenie wiązki padającej I0  – natężenie wiązki odbitej R=I0/Ip=(Z1-Z2)2/(Z1+Z2)2 R-współczynnik odbicia, Z1-Z2  – różnica oporów akustycznych (impedancja) Prezentacja A (jednowymiarowa)Prezentacja B (dwuwymiarowa) - Amplitudy echa przedstawia się jako różne stopnie szarości plamki na ekranie monitora.

Położenie plamki określane jest przez czas powrotu echa. 

Rozdzielczość obrazu USG: 

  najmniejsze dostrzegalne obrazy mają wielkość rzędu długości fali 

  ultrasonografy diagnostyczne pracują na częstotliwościach 1-15 MHz co pozwala otrzymać rozdzielczość ok. 0,1 mm 

ODDZIAŁYWANIE ULTRADŹWIĘKÓW Z TKANKAMI 

  fala ultradźwiękowa rozchodząca się w tkankach ulega odbiciu, załamaniu, rozproszeniu i absorpcji. Ilościowy udziałtych zjawisk zależy od 

o  rodzaju tkankio  częstotliwości ultradźwięków 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 11/17

o  wzajemnego stosunku długości fal do rozmiarów obiektu o  powierzchni i oporu akustycznego ośrodka 

  skutki działania ultradźwięków zależą od mocy źródła i czasu ekspozycji 

DZIAŁANIE ULTRADŹWIĘKÓW NA ORGANIZM: Mechanizm biologicznego działania stanowi wypadkowa działania cieplnego, mechanicznego i fizykochemicznego: Wywołane w ustroju zm iany dzielimy na:

  miejscowe (pierwotne) – bezpośrednie zmiany fizyczne 

  ogólne (wtórne) – reakcja organów i tkanek na oddziaływanie pierwotne 

ZMIANY PIERWOTNE:- występują w momencie nadźwiękawiania, związane są bezpośrednio z działaniem energii ultradźwięków  mechaniczne  cieplne

  fizykochemiczne  zapoczątkowanie transportu konwekcyjnego 

Działanie termiczne: - pochłanianie ultradźwięków powoduje wzrost temperatury pochłaniającego ośrodka - w materiałach o dużym współczynniku absorpcji (np. kości) efekt termiczny jest znacznie silniejszy niż w takich, które

mają niski współczynnik absorpcji (np. mięśnie) - czynniki wpływające na działanie termiczne ultradźwięków:   natężenie 

  częstotliwość   rodzaj impulsów

  kierunek rozchodzenia się fal w materiale

anizotropowym  konwekcja cieplnaDziałanie mechaniczne: - powstawanie sił i momentów skręcających - kawitacja   jest to zjawisko powstawania, dynamicznego rozwoju i zaniku pęcherzy parowo-gazowych w cieczach, wywołane

lokalnymi zmianami ciśnienia przy stałej temperaturze.  w tkankach kawitacja występuje przy ciśnieniach powyżej 10 MPa  

*Mikromasaż - ultradźwięki przechodząc przez ośrodek sprężysty wywołują w nim zmiany ciśnienia zgodne z częstotliwością drgań - zmiany te powoduje mikromasaż tkanek 

Działanie f izykochemiczne:

  przyspieszenie rozpadu białek 

  przemiana żelu w zol 

  zwiększenie przewodności elektrycznej 

  rozpad cząsteczek 

  zwiększona dyfuzja przez błony półprzepuszczalne 

  przyspieszenie niektórych reakcji chemicznych

  zmiana pH w kierunku zasadowym

ZMIANY OGÓLNE (wtórne)W działaniu leczniczym ultradźwięków wykorzystujemy: 

  zmiany przewodnictwa nerwowego

  przyspieszenie regeneracji

  wpływ na enzymy ustrojowe 

  rozszerzenie naczyń krwionośnych 

  przyspieszenie wchłaniania tkankowego 

  działanie przeciwbólowe 

Wyróżnia się następujące moce ultradźwięków słabe 0,05 – 0,5 W/cm2 średnie 0,5 – 1,5 W/cm2 mocne 1,5 – 2 W/cm2 

BIOLOGICZNE EFEKTY DZIAŁANIA ULTRADŹWIĘKÓW: 1. Na komórki:

  małe i średnie natężenia powodują krążenie cytoplazmy, zwiększenie przepuszczalności błony komórkowej, tworzeniewakuoli

  duże natężenia prowadzą do deformacj i jąder, przerwania błony komórkowej, fragmentacji komórek 2.Na transport przez błony: 

  zmiana grubości warstwy dyfuzyjnej oraz zwiększenie gradientu stężenia granicy ośrodków wpływają  na zachowaniesię komórki

  zwiększa się synteza białek 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 12/17

  zmienia się aktywność lokomocyjna niektórych komórek 3. Na skórę 

  przy małych natężeniach do 0,5 W/cm2 – nie stwierdzono żadnego negatywnego wpływu na naskórek 

  większe natężenie może powodować nieznaczny stan zapalny z odczynem wydzielniczym, dochodzi do zmian pH wskórze

4. Na tkankę łączną: 

  włókna elastyczne przy dłuższej ekspozycji ulegają rozpadowi  

  wyższe natężenia przekraczające 1 W/cm2 sprzyjają powstawaniu zaburzeń w tkance 5. Na tkankę mięśniową: 

  małe natężenie pobudza w tkankach procesy regeneracyjne (działanie stymulujące)   wzmaga się przemiana materii w komórkach mięśniowych 6. Na tkankę kostną: 

  pod wpływem dużego natężenia, powyżej 4 W/cm2, ulega uszkodzeniu

  w kości w okresie wzrostu już przy natężeniu wynoszącym 3,6 W/cm2 pojawia się pogrubienie okostnej, a następniew zmienionych miejscach dochodzi do złamania 

  powoduje przekrwienie tkanek stawu

  pobudzenie osteogenezy

  przyspieszony zrost złamań i stawów rzekomych 7. Na tkankę nerwową: 

  w dawkach terapeutycznych mają działanie lecznicze 

  większe natężenia prowadzą do zaburzeń czucia, porażeń nerwowych (zwykle przejściowych) 

TerapiaW doborze dawek stosuje się zasadę Arndta-Schultzabodźce słabe – działają podtrzymująco na procesy życiowe bodźce średnie – działają usprawniająco (aktywująco) bodźce silne – mają wpływ niekorzystny (hamujący) 

ZASTOSOWANIE MEDYCZNE:

  diagnostyka – ultradźwięki o wysokiej częstotliwości (3-10MHz)

  stomatologia – ultradźwięki o niskiej częstotliwości   terapia nowotworów  –  zogniskowane wiązki o dużym

natężeniu 

  w chirurgii – mniejsze krwawienie

  przy usuwaniu tkanki tłuszczowej 

  transdermalne podawanie leków – sonoforeza

Sonoforeza – zabieg polegający na transdermalnym wprowadzeniu leków przy udziale ultradźwięków •  ogrzanie ultradźwiękami podnosi energię kinetyczną cząsteczek leku oraz cząsteczek błony komórkowej •  działa rozszerzająco na drogi przenikania takie jak mieszki włosowe, gruczoły potowe  •  zwiększają ukrwienie w miejscu działania 

WSKAZANIA:

  zespoły bólowe w chorobie zwyrodnieniowejkręgosłupa 

  neuralgie

  bóle poamputacyjne

  szczękościsk 

  blizny

PRZECIWWSKAZANIA: nowotwory, ciąża, czynna gruźlica, ostre procesy zapalne, implanty, niezakończony wzrost kości 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 13/17

 

WYKŁAD 9 Rozwój technik uzyskiwania obrazów wewnątrz ciała 

 –   techniki rentgenowskie 

 –   scyntygrafia 

 –   ultrasonografia 

 –    jednofotonowa emisyjna tomografia komputerowa SPECT (single-photon emission computed tomography) 

 –   emisyjna tomografia pozytonowa PET (positron emission tomography) 

 –   tomografia jądrowego rezonansu magnetycznego NMR (nuclear magnetic resonance), zwana też MRI (magneticresonance imaging) 

Uniwersalność techniki NMR NMR zdobyła najszersze zastosowanie w diagnostyce, gdyż można ją zastosować do uzyskania obrazów niemal wszystkichtkanek organizmu. Wiele informacji diagnostycznych uzyskiwanych techniką NMR jest niemożliwe do osiągnięcia innymisposobami. Ponadto NMR pozwala na osiągnięcie wyjątkowo dobrych kontrastów w obrębie tkanek miękkich. Odnosi się toszczególnie do mózgu, który zamknięty w czaszce jest trudny do uwidocznienia innymi technikami. Konwencjonalny NMR NMR jako metoda obrazowania używany jest od początku lat 80-tych. Podstawy fizyczne rezonansu magnetycznego sąznane od 1946 roku. W 1952 roku obie grupy otrzymały za to odkrycie nagrodę Nobla. Od tego czasu NMR stał się szerokostosowaną metodą w fizyce i chemii jako standardowa metoda spektrograficzna. Informacje tworzące obraz NMR Tomografia NMR umożliwia uzyskiwanie: 

•  map gęstości rozkładu jąder atomów wodoru (protonów) w badanych narządach •  map rozkładu czasów relaksacji protonów w badanych tkankach 

•  dokonywania analiz spektroskopowych in vivo w wybranych lokalizacjach badanych narządów wielu związkówzawierających takie pierwiastki jak 1H, 13C, 31P 

Doświadczenie Oersteda Ustawiona pod przewodnikiem elektrycznym igła magnetyczna zmienia swoje położenie po zasileniu przewodnika prądemelektrycznym co pokazuje, iż wokół przewodnika wytwarza się pole magnetyczne. 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 14/17

 

Moment pędu jądra (spin) 

Jądro atomowe ma masę, wykonuje ono ruch obrotowy, tzn. że posiada moment pędu K (mvr) zwany spinem.  Każde jądro atomowe scharakteryzowane jest przez dwie wielkości 

spin jądrowy K→ 

moment magnetyczny jądra µ→ 

γ- jądrowy współczynnik giromagnetyczny, charakteryzuje właściwości magnetyczne jądra 

Wartość spinu jądrowego 

I- liczba spinowa η=h/2π 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 15/17

Dla różnych jąder liczba spinowa może przyjmować wartości 0,1/2, 1, 3/2..... Magnetyczny rezonans jądrowy można obserwować dla jąder, których I=/=0 Jądro wodoru 1H ma I=1/2 Jeżeli na ciało posiadające moment pędu działa para sił, to takie ciało wykonuje ruch precesyjny. 

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 16/17

 

Obsadzenie stanów energetycznych w zewnętrznym polu magnetycznym 

 Na-liczba jąder w pozycji antyrównoległej 

 Nr -liczba jąder w pozycji równoległej 

Bo=o,5T, T=25°C

 Na /Nr =999995/100003=0,999992

7/23/2019 WYKŁADY 4-8

http://slidepdf.com/reader/full/wyklady-4-8 17/17

W próbce zawierającej niemal 2 miliony jąder atomowych 1000003 dipoli ma zwrot równoległy z B a 999995 jest

skierowane antyrównolegle.

 Nadwyżyka wektorów o zwrocie równoległym wynosi tylko 8 dipoli. 

Ta niewielka nadwyżka daje 1017  jąder/g tkanki i z niej wynika wypadkowy wektor namagnesowania –  M.

Wprowadzenie dipoli magnetycznych w obręb stałego B powoduje dwa zjawiska:

-ustawienia się ich (równolegle bądź antyrównolegle) wzdłuż Bo 

-wykonywania przez dipole ruchów precesyjnych wokół osi równoległej do kierunku Bo