aparate medicale
TRANSCRIPT
MATERIA VIE
Caracteristica esenŃialăSe autogenerează, îşi conservă structura şi integritatea prin metabolism = schimb de energie sau materie cu mediul exterior
Manifestarea externă a proceselor biologice : la scară celulară şi la scară macroscopică
- chimice = produşi de dezasimilaŃie, consum de elemente chimice
- mecanice = contracŃii, dilataŃii, modificări de formă
- electrice = biosemnale
Organizarea materiei vii
- supracelulară – Ńesuturi organe aparate sisteme (corpul întreg)
- subcelulară celula = elementul de bază la nivelul căruia mai există metabolism
citoplasmcitoplasmăănucleunucleu
membranmembranăă
Organizarea subcelulară
Biofizica Biofizica celulacelula
celularăcelularăorganiteorganite
nucleunucleumitocondrimitocondricloroplastecloroplaste
aparat Golgiaparat Golgi
Biofizică Biofizică MolecularăMoleculară
aansambluri supramoleculare nsambluri supramoleculare cu masa cu masa molecularmoleculară ă 101066--101099 uu
ribozomi ribozomi complexe enzimaticecomplexe enzimaticesisteme contractilesisteme contractilemicrotubulimicrotubuli
structuri structuri supramoleculare supramoleculare specific biologicespecific biologice
macromolecule ( biopolimeri) macromolecule ( biopolimeri) cu masa molecularcu masa moleculară ă 101033--101099 uu
acizi nucleiciacizi nucleiciproteineproteinepolizaharidepolizaharide
lipidelipide
unităunităŃŃi monomerice cu masă i monomerice cu masă moleculară moleculară 100100--300 u300 u
nuleotidenuleotideaminoaciziaminoacizimonozaharidemonozaharideacizi graacizi graşşi si glicerinăi si glicerină
molecule molecule şşi precursori i precursori intermediari metaboliciintermediari metabolici COCO22 , , HH22O , NHO , NH3 , 3 , piruvat, citrat etcpiruvat, citrat etc
entităentităŃŃi i moleculare moleculare ( chimice)( chimice)
ChimieChimieorganicăorganică
şşi i biochimiebiochimie
ForŃe interatomice şi intermoleculare
r
r
r4
qqF
2
21
⋅=
πε
r
qqW
πε421=
0=dr
dW
formarea legăturilor chimice
dispunerea spaŃială a componenŃilor moleculari
- natura forŃelor-- electrică – bazată pe legea Coulomb
- determină
Energia potenŃială de interacŃiune electrostatică dintre două sarcini punctiforme este:
Echilibru: => r = r=> r = ree
r = re
W
r
pentru doi (atomi) ioni ( Na+Cl-)
Formarea legăturilor chimicedatorită electronilor de valenŃă
neîmperecheaŃi ( Teoria spinului electronic)
Stări energetice ale moleculelor
evrttot EEEEE +++=
translaŃie rotaŃie vibraŃie păturilor electronice
spectru energetic
continuă cuantificată
Legături chimice
legături primare ( tari ) 100 kcal/mol
- legătura London – Van der Waals- dipolară- q
- legătură ionică- legătură covalentă
r
+ q θ
M
p dqp ⋅=( )
⋅⋅+
−=
53
3
4
1
r
rpr
r
pEM
πε
3Mr4
rp
⋅
⋅=
πεϕ
Energia de interacŃiune dintre un dipol permanent şi o sarcină punctiformă
Epqr
rpqW M ⋅−=⋅
⋅=⋅=
34πεϕ r
r
qE ⋅
−=
304πε
Energia de interacŃiune dintre doi dipoli permanenŃi
EpW ⋅−=( )( )
−=
5212112
321 3
4
1
r
prpr
r
ppW
πε
-- dipoli induşi
extEp ⋅=α
extE
d
+-
dipolul indus de o sarcină punctiformă : απε
⋅+
=2r
q
4
1p
- energia de interacŃiune dintre un dipol indus şi o sarcină punctiformă
θπε
α
πεπεcos
44
1
4 233⋅⋅
⋅+⋅⋅=
⋅⋅=⋅= r
r
q
rq
r
rpqpqW dip
( ) 42
2
4
cos
r
qW
πε
θα ⋅+= dar dar 0180=θ
( ) 42
2
4 r
qW
⋅
−==>
πε
α
+ - +indus
prq
p
r0180=θ
- energia de interacŃiune dintre un dipol permanent şi un dipol indus
( )( )
( ) 2
532
2dipdipdipdipind
r
rpr3
r
p
4
1EEEEpW
⋅⋅+
−−=⋅−=⋅−=⋅−=
πεααα
( )
( )( )( ) ( ) 62
2
6
2
6
2
2810
24
6
2
2 4
43
4
69
4 r
p
r
p
r
p
r
prpr
r
pr
r
pW
⋅
−=
+
−=
⋅⋅−
⋅+⋅
−=
πε
α
πε
α
πε
α
p = dipol permanent
- + - +rperm
pind
ppermanentind
Ep ⋅= α
ion – ion
ion – dipol permanent
ion – dipol indus
dipol permanent – dipol indus
rW
1~
2
1~
rW
4
1~
rW
6
1~
rW
PunŃi de hidrogen- forŃe electrostatice dipolare între gruparea OH şi perechea de electroni liberi ai oxigenului
sau punte dublă între un atom O şi o grupare NH
- sunt legături slabe, 1/10 din forŃa legăturilor covalente
- reduc rotaŃiile moleculare
- apar în formă de dublă elice a moleculelor ADN
molecula molecula 1 2
apare dacă un atom H legat chimic de un atom electronegativ, O sau N, este situat în apropierea
altui atom electronegativ, O sau N
R CO
O H O
H O
C R
punte hidrogen
punte hidrogen
R CO H N
N H OC R
NH
C
C
O
CO
N
CH
InteracŃiunea hidrofobă
- moleculele hidrofobe, ( acizii graşi), dizolvate în apă, se vor asocia, din cauza respingerii lor de către moleculele de apă
Manifestări electrice ale celulei vii
Celula == unitate elementară a materii vii unitate elementară a materii vii
Clasificaredupă funcŃia îndeplinită
după relaŃiile cu alte celule şi cu mediul
Compozite – membrană, citoplasmă, nucleu
Protoplasmă = atât materia vie în evoluŃie cât şi întregul conŃinut al celulei
Compozitia membranei
-fosfolipide -proteine
dispuse in strat dublu
fosfolipide (hidrofile, polare, solubile in apa)
acizi grasi (hidrofobi)
Membrana celulara
Membrana celulara
PotenŃialul celular de repaos
Activitatea celulei se urmăreşte la nivelul membranei prin schimbul de ionicu exteriorul teoria ionică a lui Hodgkin şi Huxley
Ioni ce participă la schimb : K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, etc
Cei mai importanŃi ioni în interior şi exterior :K+, Na+ - au concentraŃii diferite
K+, Conc. int = (20-40) Conc ext
Na+, Conc. ext = 10 Conc. int
Cl-, [ ][ ]
14=−
−
i
e
Cl
Cl
Celula în repaos. Schimbul de ioni
- interiorul celulei este NEGATIV din cauza anionilor organici
- câmp electric spre interior
- forŃe de difuziune este orientată spre concentraŃia mai MICĂ
- relaŃia lui NERNST
+K
exterior
eriorint
1
2 lg6,61lnC
C
C
C
Fn
RTV =
⋅=
-
-
-+
+
+
E
dF
eF
dF
dF
eF
+Na
+Na
−Cl
−Cl
+K
Er
eFr
[Cl-]i < [Cl-]e
[K+]i > [K+]e
[Na+]i < [Na+]e
−Cl
int ext dF
eF
echilibru mVVCl
90−=−
2) Ionii potasiu +K
int ext dF
eFcvasiechilibru deoarece
ed FF ≥
mVC
CV
e
i
K9591lg6,61 −==+
3) Ionii +Naint extdF
eFmV
C
CV
e
i
Na62lg6,61 −==+
nu există echilibruMembrana are permeabilitate mică faŃă de Na+
Pentru transportul ionilor de Na+ spre exterior se utilizează energia metabolică
La ieşirea unui ion de Na+ în exterior atunci un ion K+ intră în celulă Pompa Na+, K+, ionică
1) Ionii de clor
Sodium-Potassium pump, an example of Primary active transport
Mecanisme de schimb ionic
- ionii K+ trec din interior spre exterior (forŃe chimicee))
Cext < Cint
Vext< Vint
- diferenŃa de potenŃial se opune trecerii în continuare a ionilor spre interior.Rezultă echilibru dinamic
+K
În repaos [ ] [ ] [ ] [ ]eeii ClKClK−+−+ = echilibru de membrană Donnan
- trec din exterior spre interior
Cext > Cint
Vext> Vint
+Na
PotenŃialul celular apare din cauza diferenŃei de concentraŃie.Valoarea lui este dată de relaŃia NERNST
[ ]mVC
CV
extcelulei
celuleiintlg6,61=
30int =+
+
K
ext
K
C
CEx. KK++,, rezultă mVV
K90=+
+KV este pozitiv în interior faŃă de exterior
Ex. ,+Na
++
⟨ Na
ext
NaCC int rezultă mVV
Na62−=+
+NaV este negativ în interior faŃă de exterior
Membrana are un caracter selectiv faŃă de ioni datorită :
- dimensiunilor diferite ale ionilor- afinităŃii diferite faŃă de apă
ExteriorExterior MembranăMembrană InteriorInterior
+K
++
--E
r
dFr
eFr
eFr
dFr
K+ ioni ce vin din exterior spre interior
K+ ioni pompaŃi de diferenŃa de potenŃial şi degradientul de concentraŃie
Na+ ioni ce pleacă spre exterior
Na+ ioni pompaŃi de diferenŃa de potenŃial şigradientul de concentraŃie
Celula este negativă în interior din cauza ANIONILOR organici => câmp spre interiorE
r
+K
+Na
-
+
+
-
91
62
În repaos celula este polarizatăexteriorinterior
+-
potenŃial de repaos celular u
Schema echivalentă
ExteriorExterior Interior Interior MembranăMembrană
u
C
+kR
+NaR
-
- +
+
+KV
+NaV
Ω=+ kRK
1
Ω=+ kRNa
150
2/1 cmFC µ=2/10 cmFC µ=
- celula nervoasă
- celula musculară
În repaos curentul total prin membrană este zero
oIIKNa
=+ ++
U = - 90 mV
Transportul de ioni prin membrana
Mecanisme de transport
1. Difuzie (gradient de concentratie)
2. Osmoza (afinitate fata de solventi)
3. Exocitoza (daca o vezicula atasata membranei se deschide spre exterior si elimina substanta)
4. Fagocitoza (daca membranea se deformeaza si include o formatiune din exterior)
Transportul de ioni prin membrana
Transportul activ de ioni prin membrana
Transport activ de ioni; se realizeaza impotriva gradientului de concentratie. Pompa Na / K
Energia este furnizata de hitroliza ATP (adenozina trifosfatica)
ATP (adenozin trifosfat)The structure of ATP has an ordered carbon compound as a backbone, but the part that is really critical is the phosphorous part - the triphosphate. Three phosphorous groups are connected by oxygens to each other, and there are also side oxygens connected to the phosphorous atoms. Under the normal conditions in the body, each of these oxygens has a negative charge, and as you know, electrons want to be with protons - the negative charges repel each other.
ATP (adenozin trifosfat) These bunched up negative
charges want to escape - to get away from each other, so there is a lot of potential energy here.
If you remove just one of these phosphate groups from the end, so that there are just two phosphate groups, the molecule is much happier. This conversion from ATP to ADP is an extremely crucial reaction for the supplying of energy for life processes. Just the cutting of one bond with the accompanying rearrangement is sufficient to liberate about 7.3 kilocalories per mole = 30.6 kJ/mol. This is about the same as the energy in a single peanut.
Hidroliza ATP
ATP-ADT
The sodium-potassium pump moves toward an equilibrium state with the relative concentrations of Na+ and K+ shown at left.
Pompa Na+ / K+
PotenŃialul de acŃiune al celulei
Stimuli
excitanti acŃionează în sensul depolarizării celulei (tinde să micşoreze valoarea absolută a potenŃialului de repaos)
inhibitori accentuează polarizarea celulei
Prag de stimulare
Dacă durata şi amplitudinea stimulului depăşesc o anumită valoare, atunci procesul de trecere a ionilor nu mai poate fi controlat de către stimul şi se produce o trecere în avalanşă a ionilor prin membrană şi celula se depolarizează.
Obs. Sub acŃiunea unui stimul excitant membrana devine mai permeabilă pentru ionii de Na+, dar nu-şi schimbă permeabilitatea faŃă de ionii de K+.
curent de stimularecurent de stimulare
stimul excitantstimul excitant
stimul inhibitorstimul inhibitor
VVcelulcelulăă
[mV][mV]
TT00
tt
stimul inhibitorstimul inhibitor
+20+20
tt
prag deprag destimularestimulare
--9090DepolarizareDepolarizare RepolarizareRepolarizare PotenPotenŃŃial ial
de repaosde repaos
q q electricelectric
q q electricelectric
egaleegale
tt
Măsurători
- în vivo = pe viu- în vitro - în soluŃie care să reproducă cât mai fidel condiŃiile reale ale celulei vii
Se folosesc doi electrozi
unul se introduce în celulă
unul în exterior
Introducem doi electrozi în soluŃie şi in celulă.În repaos curentul prin membrană este zero. Tensiunea între electrozi = 0.Stimulăm celula intră ioni pozitivi în celulă apare tensiune tensiunea dispare când celula este depolarizată apare din nou la repolarizare
DepolarizareDepolarizare
RepolarizareRepolarizare
UUextracelulaextracelula
Bibliografie
1. Biofizică, Elena Dragomir, Liviu Enache
2. Electronică medicală, Rodica Strungaru
3. Aparatura electronicii medicale, T.D. Gligor, A. Policec
4. Magnetismul în biologie, I.A Holodea
5. Electronică medicală, A. Poicec, T.D. Gligor
6. Biofizică, M. Isac, C. Filipescu
7. Biofizică, Tudor Porumb