Zklady biofyziky biochmie a rdiolgie 1 OSE 1

Základy biofyziky, biochémie a rádiológie 1. OSE, 1. PA, 1. DH, 1. UZS, 1. FYZ FZ PU 12/2/2020 1

Základy biofyziky • • 1. 2. Termodynamika a molekulová biofyzika Biofyzika bunky Biofyzika tkanív a orgánov Biofyzika vnímania Ekologická biofyzika Biofyzika ionizujúceho žiarenia Medzinárodná sústava jednotiek Šajter V. a kol. : Biofyzika, biochémia a rádiológia. 1. vyd. Martin: Vydavateľstvo Osveta. 2002. 158 s. Sýkora A. , Šanta M. : Základy biofyziky. 1. vyd. FZ PU Prešov: Grafotlač, s. r. o. 2008. 104 s. 12/2/2020 2

Termodynamika a molekulová biofyzika Termodynamika je veda o transformácii energie a fyzikálnych vlastnostiach substancii, ktoré sú jej súčasťou. Predmetom štúdia termodynamiky nie sú jednotlivé atómy či molekuly, ale systémy tvorené veľkými súbormi s veľkým počtom častíc. Molekulová biofyzika študuje zákonitosti fyzikálneho pohybu molekúl a makromolekúl v živom systéme, od molekulového chápania skupenských stavov až po vlastnosti makromolekúl. 12/2/2020 3

Termodynamika Termodynamický systém je výsek hmotného sveta obsahujúci veľký počet interagujúcich častíc napr. reakčná banka, tlaková nádoba, bunka, živý jedinec. Podľa interakcie s okolím definujeme tri druhy systémov: - izolovaný, - uzavretý, - otvorený Usporiadanie systému v danom čase udáva stav systému. Je určený stavovými veličinami: p, T, V, n. Vzájomná súvislosť stavových veličín je daná stavovou rovnicou: p. V/T = n. R R je plynová konštanta Ak sa mení stav termodynamického systému, ide o termodynamický dej. Deje pri konštantných podmienkach: - izotermický, - izochorický, - izobarický dej 12/2/2020 4

TS – výsek hmotného sveta, obsahujúci veľký počet interagujúcich častíc 12/2/2020 5

Stavové veličiny 12/2/2020 6

Prvá termodynamická veta Vyjadruje základný princíp o zachovaní energie. Platí všeobecne a absolútne pre jednu alebo nekonečný počet častíc napr. v ľudskom organizme. d. U = A+Q d. U je prírastok vnútornej energie, A je vykonaná práca, Q je prijaté teplo. Žiadny systém nevykoná prácu bez dodania tepla a bez zníženia vnútornej energie. Entalpia H – tepelný obsah je množstvo tepla, ktorý si systém vymieňa s okolím pri konštantnom tlaku: H = U+p. V p = konšt. H je entalpia, U je vnútorná energia, p je tlak, V je objem 12/2/2020 7 7

Transformácia a akumulácia energie v živých systémoch Zákon o zachovaní energie 12/2/2020 8

Druhá termodynamická veta Teplo nemožno úplne premeniť na prácu: pri tejto premene sa časť tepla odovzdáva okoliu s nižšou teplotou a nemožno ju v systéme využiť. Energia sa nestráca, ale degraduje na menejcennú formu energie – teplo. Vždy časť energie zostane vo forme tepla: = Q 1–Q 2/Q 1 = T 1–T 2/T 1 je účinnosť a je menšia ako 1, Q je teplo, T je teplota Deje prebiehajúce jedným smerom sa nazývajú ireverzibilné. Stupeň nevratnosti deja entropia S–miera degradácie energie alebo nevratnosti deja: d. S = d. Q/T d. S je nekonečne malá zmena entropie, d. Q je nekonečne malý prírastok tepla T je teplota deja Entropia je mierou neusporiadanosti systému. 12/2/2020 9

Skupenské stavy látok Závisia od T a p. Tuhé skupenstvo–pevné spojenie častíc, priestorovo usporiadané, kmitavý pohyb. Kvapalné skupenstvo–dotyk častíc, zachovanie objemu, pohyb častíc, rôzny tvar, izotropné a anizotropné prostredie, povrchové napätie, viskozita, rozpúšťacia schopnosť. . Kvapalné súčasti organizmu–biologické tekutiny–plazma, lymfa, mozgomiechový mok, kvapalné sekréty. Sú to roztoky. Plynné skupenstvo – voľne pohybujúce sa molekuly, zanedbateľné príťažlivé sily. Stavová rovnica plynov, Daltonov zákon, Henryho zákon. Plazmatický stav–plazma–vysoko ionizovaný plyn, elektricky vodivá. 12/2/2020 10

Disperzné systémy Dvojfázové systémy - disperzné prostredie v nadbytku a disperzný podiel. Podľa veľkosti častíc: - Analytické disperzie – do 1 nm, pravé roztoky, prechádzajú - cytoplazmatickou membránou, nesedimentujú, rýchlo difundujú. - Koloidné disperzie – 1 -1000 nm, roztoky makromolekúl alebo miciel, neprechádzajú membránou, viditeľné elektrónovým mikroskopom, sedimentujú v ultracentrifuge, pomaly difundujú. Krvná plazma, roztok škrobu, koloidný roztok bielkovín. Majú elektricky náboj. - Hrubé disperzie – častice väčšie ako 1000 nm, neprechádzajú filtračným papierom, viditeľné optickým mikroskopom, sedimentujú v zemskej gravitácii, nedifundujú. 12/2/2020 11

12/2/2020 12

Koligatívne vlastnosti roztokov Vlastnosti, ktoré závisia len od koncentrácie disperzného podielu. Napr. – zníženie tenzie pár, zvýšenie bodu varu, zníženie bodu mrazu, osmotický tlak. Sú určené na stanovenie molekulovej hmotnosti rozpustenej látky. Zníženie tlaku pár nad roztokom – Raoultov zákon : dp/p = p-p´/p = n 2/n 1 +n 2 n 1 je počet mólov rozpúšťadla, n 2 je počet mólov rozpúšťaných látok, p je tenzia nasýtených pár nad rozpúšťadlom, p´ je tenzia nasýtených pár nad roztokom So znížením tenzie nasýtených pár súvisí zvýšenie bodu varu roztoku - čím väčšia je koncentrácia rozpustenej látky v rozpúšťadle, tým viac sa zvýši jeho bod varu: dtv = E. cm E je ebulioskopická konštanta, cm je mólové teplo vyparovania Pre zníženie bodu tuhnutia platí: dtt = -K. cm K je kryoskopická konštanta, cm je skupenské teplo topenia 12/2/2020 13

Povrchové javy Javy na rozhraní fáz sa týkajú povrchového napätia a adsorbcie. Povrchové napätie je sila, pôsobiaca na 1 meter dĺžky kvapaliny: = F/l N. m-1. Na molekuly povrchu pôsobia van der Waalsove sily. Povrchové napätie spôsobí, že sa kvapalina neroztečie, vytvorí sa kvapka s najmenším povrchom, ďalej spôsobuje kapilárne javy, eleváciu a depresiu, uplatňuje sa pri dýchaní. Adsorpcia je schopnosť povrchovej vrstvy zvýšiť koncentráciu atómov alebo molekúl, látky tuhej ale aj kvapalnej. Adsorbent napr. živočíšne uhlie. Je funkciou teploty a tlaku. Absorpcia je pohlcovanie v celom objeme. 12/2/2020 14

12/2/2020 15

Biofyzika bunky Bunka je základná štruktúrna, funkčná a rozmnožovacia jednotka organizmu. Malý, membránou ohraničený systém, naplnený vodným roztokom chemických prvkov v rôznych zlúčeninách. Je to otvorený systém, vymieňajúci si s vonkajškom energiu, informácie a látkovú premenu. Ďalšie deje prebiehajú na bunkovej membráne. Ich najčastejšia veľkosť je 1 -100 μm. Nervové bunky až 1 m, riketsie a mykoplazmy asi 100 nm. 12/2/2020 16

Štruktúra a funkcia bunky Mikroskop, elektrónový mikroskop, röntgenová štruktúrna analýza, magnetická rezonancia, pozitrónová emisná tomografia – informácie o štruktúre a funkcii bunky. Základná štruktúra bunky – cytoplazma a bunková membrána Človek z niekoľko biliónov buniek. Špecializácia buniek – súvis – z vykonávanou funkciou. Bunky určitého funkčného a štruktúrneho typu sa spájajú do tkanív, z ktorých sa vytvárajú jednotlivé orgány. Tvar – rozmanitý Prvky sa delia na: 1) Základné – najviac zastúpené 2) Hlavné – fyziologické procesy a látková výmena 3) Stopové – ich nedostatok spôsobí patologické stavy až smrť 12/2/2020 17

12/2/2020 18

Tvary buniek v ľudskom tele 12/2/2020 19

Cytoplazma a jej chemické zloženie Cytoplazma je základom vnútorného prostredia bunky. Obsahuje 70% vody, 15 -20% bielkovín, 2 -3% tukov a zvyšok tvoria nukleové kyseliny, uhľovodíky, nízkomolekulové organické látky, minerály a ióny. Štruktúra a funkcia vody v cytoplazme V jej spávaní niektoré anomálie: Najväčšia hustota pri 3, 98°C. Molekula H 2 O má charakter dipólu. Má vysokú dielektrickú konštantu a schopnosť rozpúšťať polárne látky. Funkcie vody: - rozpúšťadlo organických a anorganických látok – tvorí disperzné prostredie – zúčastňuje sa na metabolizme – podieľa sa na termoregulácii – zúčastňuje sa na vytváraní osmotickej rovnováhy – účinkuje pri transporte látok cez bunkovú membránu. V bunke voľná voda – 95% celkového obsahu, funguje ako rozpúšťadlo a disperzné prostredie koloidného systému cytoplazmy a viazaná voda, ktorá sa zúčastňuje na vytváraní väzieb 12/2/2020 20 s polárnymi skupinami bielkovín.

Štruktúra molekuly vody 12/2/2020 21

Vlastnosti cytoplazmy a jej štruktúra Číra časť cytoplazmy je cytosól. V nej malé, veľké častice a organely rozmerov niekoľko nm (nanometrov) a μm (mikrónov). Bielkoviny cytoplazmy sú štruktúrne a globulárne. Bunková cytoplazma je bezfarebná a prepúšťa viditeľné svetlo. Obsahuje pigmenty. V polarizovanom svetle je cytoplazma izotropná. Je elastická, kontraktilná, rigidná, pohyblivá a primerane pevná. Viskozita cytoplazmy je vyššia v porovnaní s vodou. Je daná väzbami medzi časticami, z ktorých je zložená. Závisí od T a zloženia okolia buniek. K povrchu bunky je väčšia, a mení sa napr. pri bunkovom delení a fagocytóze. Cytoplazma je mierne kyslá p. H (približne 6, 8) a má veľkú pufrovaciu schopnosť. 12/2/2020 22

Funkcia bunkovej membrány Úloha v živote bunky pri uskutočňovaní základných biologických a fyziologických funkcii: - oddeľuje cytoplazmu - obaľuje organely – zabezpečuje bunkový transport - genézu elektrických potenciálov – dráždivosť a vzrušivosť - energetiku živých systémov – imunita – rozmnožovanie a ďalšie. Štruktúra bunkovej membrány Molekulová dvojvrstva lipidov (fosfolipidy a cholesterol) so zabudovanámi membránovými proteinmi (ektoproteíny a endoproteíny). Dobrú priepustnosť pre vodu a nej rozpustené zabezpečuje veľké množstvo pórov. Bunková membrána plní dve hlavné funkcie: - rozdeľovaciu – integrujúcu. Ich poruchy vyvolávajú ochorenia. 12/2/2020 23

Bunková membrána - supramolekulový útvar 12/2/2020 24

Model bunkovej membrány 1 -bielkovina, 2 -dvojvrstva lipidov, 3 -otvor, pór 12/2/2020 25

Transport cez bunkovú membránu Ide o prenos živín, kyslíka do bunky a vylučovanie odpadu a CO 2 z bunky. Výsledkom transportu fyziologických iónov je rozdiel ich koncentrácie vnútri a mimo bunky, čím sa generuje potenciálová diferenciácia - pokojový a akčný potenciál. Poznanie transportov v bunkách je dôležité pre aplikáciu liečiv do tkanív. Existuje pasívny a aktívny transport. Pasívny je prenos látok v smere elektrochemického gradientu, zo stavu s vyššou energiou do stavu z nižšou energiou: osmóza a difúzia. Aktívny je prenos molekúl a iónov proti elektrochemickému gradientu, na úkor energie metabolických procesov bunky: - sodíkovo-draslíková pumpa a kalciová pumpa. 12/2/2020 26

Pasívny transport cez bielkovinové kanály • iónový kanál otváraný naviazaním ligandu • iónový kanál otváraný elektrický 12/2/2020 27

Model sodíkovo-draslíkovej pumpy, 1 -vonkajšia strana, 2 - vnútorná strana, 3 -membrána 12/2/2020 28

Sodíkovo-draslíková pumpa 12/2/2020 29

Membránový a akčný potenciál Elektrické prejavy membrány sú významné pri kódovaní a prenose informácii v nervom tkanive a spúšťaní svalovej kontrakcie. Pokojový membránový potenciál sú veľké ióny v cytoplazme a nerovnomerne rozdelené fyziologické ióny (K, Na, Cl) na obidvoch stranách membrány. Akčný potenciál vzrušivých tkanív. Vzrušivosť je schopnosť membrán odpovedať na podnet, čo sa prejaví ich funkčnými zmenami a fyzikálno-chemickými procesmi napr. zmenou ich elektrického stavu. Táto potenciálová zmena je akčný, činnostný potenciál. AP – základný prvok kódovania a prenosu informácií v nervom systéme. V svale je AP prvý článok spustenia svalovej kontrakcie. 12/2/2020 30

Hladiny iónov v niektorých bunkách 12/2/2020 31

Pokojový membránový potenciál a rovnovážny potenciál draslíkových iónov Druhy bunky Vm/m. V/ Vk/m. V/ Svalová bunka cicavcov -80 -92 Svalová bunka žaby -85 -93 Svalová bunka raka -77 -84 Nervové vlákno /Loligo/ -61 -81 Nervové vlákno /Squid/ -76 -86 Srdcový sval psa -90 -110 12/2/2020 32

Pemeabilita membrány pre draslíkové a sodíkové ióny 12/2/2020 33

Priebeh AP v nervovom vlákne 12/2/2020 34

Šírenie akčného potenciálu AP vzniká v mieste podráždenia, šíri sa po membráne nervového a svalového vlákna na miesto určenia. Spôsob šírenia: - Mechanizmom tzv. lokálnych prúdov – rozdiel potenciálov medzi podráždeným a nepodráždeným miestom. Lokálny prúd vyvolá vznik AP na susednom mieste membrány. Proces sa opakuje. - Skokom – v myelizovaných nervových vláknach, myelín nevedie elektrický prúd, vzruch sa šíry skokom od jedného Ranvierovho zárezu k ďalšiemu. - Synaptický prenos – medzi nervovými a svalovými, synapsa je funkčné spojenie pomocou chemických mediátorov. 12/2/2020 35

Schéma šírenia vzruchu cez synapsu 12/2/2020 36

Biofyzika tkanív a orgánov Biomechanika kostí – aplikácia zákonov mechaniky v biológii a medicíne. Skúma vlastnosti a dynamiku kostného skeletu, kĺbových spojení a vhodnosť aplikácii náhrad. Skelet a kĺby pripomínajú sústavu pák v gravitačnom poli, pôsobení vonkajších síl a svalov. Biomechanika svalovej kontrakcie – svaly sú hybný systém človeka. Výsledkom svalovej kontrakcie je práca. Kostrový sval je zložený z vlákienok. Myofibrily sú zložené z tenších aktínových a hrubších myozínových vlákienok. Spúšťačom kontrakcie je AP, ktorý uvoľní Ca+2 ióny zo sarkoplazmatického retikula do svalovej bunky. Uvoľnenie nastane po znížení koncentrácie Ca+2 v bunke. Sval odpovedá pohybom alebo ťahovou silou – izometrická akcia (l je konšt. ) vzniká pri fixovaných šľachách – izotonická akcia (napätie je konšt. ), sval mení dĺžku. Myogram je časový záznam potenciálov svalov. 12/2/2020 37

Svalové vlákno – schéma usporiadania kontraktilných elementov, A–anizotropné pásmo, I–izotropné pásmo, Z–disk 12/2/2020 38

Biofyzika krvného obehu Krvný obeh je polouzavretý systém tvorený srdcom, cievami a krvou. Srdce je zdrojom mechanickej energie, cievy tvoria rozvodný systém a krv je pohyblivá a nestlačiteľná zložka. Hlavná funkcia je privádzať tkanivám O 2 a výživné látky a odvádzať z nich produkty látkovej premeny a CO 2. Práca srdca – srdce pracuje ako tlakové čerpadlo. Kontrakciou dutého srdcového svalu vzniká tlak, ktorý vháňa objem krvi do ciev. Srdce vykoná statickú prácu: Wp = p. V Krv získa rýchlosť a vykonáva kinetickú prácu: Wk = 1/2 mv 2 Mechanická práca W = Wp + Wk a pri jednej systole je 1, 13 J. Prúdenie krvi sa riadi rovnicou kontinuity: S 1 v 1 = S 2 v 2 Bernoulliho ronicou: 1/2 mv 12 + p 1. V = 1/2 mv 22 + p 2. V Krv prúdi následkom tlakových rozdielov vznikajúcich W srdca. p. N = 16 k. Pa/10, 5 k. Pa. Krv prúdi laminárne alebo turbulentne. 12/2/2020 39

Zloženie srdca 12/2/2020 40

Biofyzika dýchania Vonkajšie a vnútorné dýchanie. 4 hlavné časti dýchania: pulmonálna ventilácia, difúzia plynov, transport plynov, regulácia dýchania. Fyzikálne zákony dýchania: Zmes 78%N, 21%O, 1%CO 2, vodné pary a vzácne plyny. Stavová rovnica, Daltonov zákon – určuje parciálny tlak kyslíka, Henryho zákon – sa týka rozpustnosti plynov v krvnej plazme a Fickove zákony. Mechanika dýchania a dychové objemy. Výmena plynov v pľúcnych alveolach. Inspírium – aktívny proces a expírium – pasívny proces. Dychové objemy podľa hĺbky dýchania: - dychový objem (DO = 0, 5 l), - inspiračný objem (IRO = 2, 5 až 3 l), - expiračný objem (ERO = 1 l), - reziduálny objem (RO = 1, 5 l). 12/2/2020 41

Frekvencia dýchania, rýchlosť a objemy registrujeme spirometrom a pneumotachogramom. Frekvencia je počet nádychov (výdychov) za minútu. Minútový objem dýchania je objem vzduchu, ktorý sa za minútu vdýchne a vydýchne. Vznik ľudského hlasu Hlas vzniká v hrtane a súvisí s dýchaním. Vytvára ho kmitajúci vzduchový stĺpec v rezonančných dutinách nad hlasivkami. Výška hlasu závisí od dĺžky hlasivkových väzov a farba hlasu od veľkosti a tvaru rezonančných dutín (hrtan, ústna, nosová a prínosové dutiny). Sila hlasu závisí od tlaku vydychovaného vzduchu. Akustické prvky ľudskej reči sú samohlásky a spoluhlásky. 12/2/2020 42

Pasívne elektrické vlastnosti tkanív Tkanivá sú vodiče II. rádu – elektrolytické pomocou iónov alebo iných nabitých koloidných častíc. Vodivosť tkanív závisí od elektrického prúdu (I) a druhu tkaniva (jeho štruktúry). Tkanivo je paralelne zapojený elektrický obvod odporu R a kapacity C. Aktívne elektrické vlastnosti tkanív Prejavom vzrušivého tkaniva sú AP. AP orgánov sú integrálom činnostných potenciálov buniek. Ich snímanie sa využíva v diagnostike. Elektrokardiografia Srdce má vlákna špecializované na prácu a na vedenie AP (Purkyňové vlákna). Srce si sa generuje AP v generátore (sinoatrálny uzol). AP trvá viac ako 200 ms. AP možno snímať s povrchu tela – elektrokardiogram (EKG). 12/2/2020 43

Merný odpor tkanív Tkanivo 12/2/2020 Merný odpor /Ω. m/ Cytoplazma bunky 1 Telové tekutiny 0, 8 -1, 3 Svaly 3 Parenchymatózne tkanivo 4 -6 Tukové tkanivo 10 -15 Kostné tkanivo 30 44

RC obvod tkaniva R-odpor tkaniva, C kapacita tkaniva 12/2/2020 45

Jednoduchá elektrokardiografická krivka 12/2/2020 46

Elektrokardiografické vyšetrenie 12/2/2020 47

Elektroencefalografia Snímanie AP z CNS hlavne z mozgu. Obraz sa zaznamená elektródami na povrchu hlavy (EEG), alebo priamo z povrchu mozgu (ECOG). Elektroretinografia (ERG) – snímanie AP zo sietnice oka, elektrogastrografia (EGG) – snímanie AP žalúdkovej steny, elektromyografia (EMG) – zo svalov. Majú diagnostický význam. Magnetické signály tkanív Snímanie a registrácia biomagnetických prejavov (magnetických polí) srdca, svalov a mozgu. 12/2/2020 48

Biofyzika vnímania Zmyslové vnímanie je príjem a uvedomovanie si informácií z vonkajšieho a vnútorného prostredia organizmu, prostredníctvom receptorov. Receptory: fotoreceptory, chemoreceptory, mechanoreceptory, termoreceptory a ďalšie. R sú to meniče energie, na elektrický signál – receptorový potenciál. AP ide senzitívnym nervom do CNS, kde sa analyzuje a človek získa informácie. Vzťah podnetu a vnemu Intenzita vnemu sa zvyšuje intenzitou podnetu. Čím je priemer nervového vlákna väčší, tým je aj rýchlosť šírenia vyššia. 12/2/2020 49

Vnímanie chuti a čuchu Chuť a čuch majú podobný mechanizmus vzniku podráždenia. Na recepciu čuchu je čuchový epitel. Čuchové receptory sa rýchlo adaptujú, až zmiznú činnostné potenciály. Chemoreceptory chuti – chuťové poháriky v sliznici jazyka. Chuťové vnemy závisia od podráždenia čuchu. Vnímanie zvuku Proces zachytenia, prenos a spracovanie zvukového signálu v sluchových analyzátoroch. Zvuk je mechanické kmitanie prostredia s kmitočtom 16 -20000 Hz. Rýchlosť závisí od vlastnosti prostredia. Človek vníma zvuk pomocou sluchového orgánu. Vlastným akustickým receptorovým systémom je Cortiho orgán vo vnútornom uchu. Úlohou vestibulárného systému je vnímanie polohy, pohybu a zrýchlenia. 12/2/2020 50

Umiestnenie čuchových receptorov 12/2/2020 51

Rýchlosť šírenia zvuku Látka Vzduch (13, 4 °C) Voda (25 °C) Ortuť Beton Ľad Oceľ Sklo 12/2/2020 Rýchlosť zvuku [m/s] 340 1 500 1 400 1 700 3 200 5 000 5 200 52

Hlasitosť zdrojov zvuku Druh zvuku Hlasitosť /Ph/ Intenzita /W. m-2 / Prah počutia 0 10 -12 Šum lístia, šepot 10 -20 10 -11 – 10 -10 Tichá hudba 40 10 -8 Rozhovor 50 -60 10 -7 – 10 -6 Pouličný hluk 60 -70 10 -6 – 10 -5 Pneumatické kladivo 100 10 -2 Dýzový motor 120 1 12/2/2020 53

Sluchové pole 12/2/2020 54

Stavba ucha 12/2/2020 55

Zrakový analyzátor Príjem a spracovanie informácií v zrakovom centre je výsledkom dopadu fotónov svetla na receptory v oku. Svetlo je elekromagnetické vlnenie s λ = 400 -780 nm. Má vlnovočasticový charakter. Oko vytvára obraz predmetu a mení energiu fotónov. Optická mohutnosť oka je 60 D (dioptria). Zmena optickej mohutnosti je akomodácia. Obraz na sietnici a bodovo je oko emetropické. V opačnom prípade ametropické. Pred sietnicou – krátkozrakosť (myopia). Za – ďalekozrakosť (hypermetropia). Predmet zobrazený nie bodovo –astigmatizmus. Sietnica – na ne fotoreceptory. Obraz prevrátený, zmenšený. Bioelektrická aktivita sietnice je výsledok fotochemických reakcií. Sleduje ich ERG. 12/2/2020 56

Stavba oka 12/2/2020 57

Krátkozrakosť a ďalekozrakosť a korekcia okuliarmi a) pred korekciou, b) po korekcii 12/2/2020 58

Ekologická biofyzika Životné prostredie, prostredie kde žijeme, výsledkom jeho narušenia je zvýšený počet ochorení. Výsledkom interakcií organizmu s prostredím je: - reakcia, - poškodenie, -adaptácia. Fyzikálne podnety: -mechanické faktory, - elektrcké a magnetické polia, - teplo a meteorologické faktory, - zvuk, ultrazvuk a infrazvuk, - neionizujúce žiarenie, - ionizujúce žiarenie. Účinok závisí od: - druhu podnetu, - intenzity, - trvania podnetu, - miesta pôsobenia, - reaktivity organizmu. Fyzikála terapia je pôsobenie priaznivých podnetov pri liečbe, prejaví sa vyšším prekrvením, zlepšenou regulačnou schopnosťou a obnovením narušených biologických funkcií. 12/2/2020 59

Účinky mechanických síl (geobiofyzika) Gravitačné zrýchlenie: - preťaženie kladné, - preťaženie záporné Účinky podtlaku a pretlaku (barobiofyzika) Atmosféricky tlak pôsobí stále na organizmus. Vysoké nadmorské výšky: - brachykardia, - tachykardia, horská choroba. Počas tretieho týždňa vysokohorského pobytu – aklimatizácia. Zmena intermediárneho metabolizmu – zvýšenie výkonnosti pri nízkej spotreba O – liečenie chorôb respiračného systému. Podtlakové komory – tlak vzduchu znížený o 20 -40 k. Pa. Pri potapaní – kesónová choroba. Pretlak sa využíva v pretlakových komorách (barokomorach), kde je 26, 7 -53, 3 k. Pa. Terapia hypoxických stavov a pľúcneho emfyzému. Hyperbarická oxygenoterapia sa využíva pri otravách CO, kyanidmi, popaleninách a polytraumách. 12/2/2020 60

Účinky elektrických a magnetických polí Tkanivá sú komplikované vodiče I. Tkanivo je elektrická impedancia s vodivosťou, kapacitou a indukčnosťou. Priaznivé účinky I sa využívajú ako elektroliečba. Účinky jednosmerného I – preteká tkanivo elektrolyticky, pohybom iónov. Nemá dráždivé účinky, má tepelné účinky. Galvanoterapia – liečba jednosmerným I: - galvanizácia (liečba chronických ochorení, poúrazových stavov, porúch prekrvenia, spazmov svalstva a iných) a – ionoforéza (aplikácia liečiva, ktorých molekula má na povrchu elektrický náboj). Účinky striedavého nízkofrekvenčného I – má predovšetkým dráždivé účinky – rozcvičovanie svalstva, defibriláciu a stimuláciu. Impulzoterapia – liečebná aplikácia nízkofrekvenčných I: - rozcvičovanie svalov, - stimulovanie hladkého svalstva, - elektrostimuláciu totálne denervovaných svalov a - diagnostiku. 12/2/2020 61

Ionoforéza 12/2/2020 62

Hoowergova a Weissova krivka, I-intenzita prúdového impulzu, t-trvanie impulzu. 12/2/2020 63

Fyziologické účinky striedavého prúdu (60 Hz), prechádzajúceho cez kožu (neporušenú) do tela 1 m. A prah pocitu 5 m. A bezpečný prúd cez kožu, ale nie cez implantovaný stimulátor srdca 10 20 m. A začína svalová kontrakcia 50 m. A bolesť, možnosť porúch srdca a dýchania 100 300 m. A fibrilácia komôr (srdce prestáva pracovať ako pumpa) 6 A trvalá kontrakcia srdcových komôr, popáleniny na koži 12/2/2020 64

Účinky striedavého vysofrekvenčného prúdu–majú frekvenciu vyššiu ako 1 MHz, a majú najmä tepelný účinok. Diatermia – hĺbkový tepelný vplyv. Úrazy I: - pri prechode I s vyššou intenzitou. Najcitlivejšie tkanivá sú mozgové, respiračné svaly hrudníka, nervové centrá a srdce. Účinky magnetických polí – biologické sú výsledkom pôsobenia na receptory, ovplyvňujú reakcie radikálov a výmenu iónov (Ca+2), vyvolávajú vazodilatáciu, analgéziu, podporujú hojenie a myorelaxáciu. Magnetoterapia – liečba poúrazových stavov, podpora vhojenia endoprotéz, urýchlenie hojenia zlomenín, hovenia mäkkých tkanív, pri chronických zápaloch, ochoreniach pohybového systému, bolestiach chrbtice, reumatizme, obrne nervov a. . . Nevhodná pre tehotné ženy, osoby s anémiou, s implantovaným elektronickým zariadením, u pacientov s aktívnou TBC, s poruchami funkcie endokrinných žliaz, nádorovými ochoreniami a psychózami. 12/2/2020 65

Diatermia 12/2/2020 66

Magnetoterapia 12/2/2020 67

Účinky tepla Q – forma energie, úhrnná kinetická energia neusporiadaného pohybu molekúl látky. Čím vyššia je Ek tým vyššia je t. Pri absolútnej nule t = - 273, 15°C sa látky nepohybujú. Telesná teplota – človek si udržiava konštantnú t tela –rovnováha medzi tvorbou a výdajom Q termoreguláciou v hypotalame – 36, 5°C. Mechanizmus tvorby a prenosu tepla. Teplo sa tvorí metabolizmom vo svalstve, pečeni a ostatných orgánoch. Teplo z okolia. Strata tepla kondukciou, konvekciou, radiáciou a evaporáciou. Reakcia na teplo závisí od intenzity a formy tepelného podnetu a od reaktivity organizmu. Termoterapia celková a lokálna využíva priaznivé účinky tepla. Účinky počasia a klímy skúma bioklimatológia: - humánna, zoologická, - botanická, - kozmická. 12/2/2020 68

Rozsah termoregulácie človeka a poruchy 12/2/2020 69

Termoterapia 12/2/2020 70

Účinky zvuku, ultrazvuku a infrazvuku Nežiaduci zvuk rôznych frekvencií a intenzít sa nazýva hluk. Akustický tresk je tlaková vlna. Účinky ultrazvuku. Ultrazvuk má frekvenciu = 20000 Hz. V medicíne sa používa na terapiu a diagnostiku. Používa sa aj na meranie rýchlosti prietoku krvi. Nadmerná intenzita dráždi a poškodzuje tkanivo. Účinky neionizujúceho žiarenia NŽ – viditeľné svetlo, UV, IR a mikrovlny. VS – fotosyntéza, videnie, fyziologické účinky. Prevencia, doplnková liečba TBC, rekonvaleciacia a helioterapia kožných ochorení. Úpal a prehriatie. Laserové žiarenie sú opakované impulzy úzkeho zväzku monochromatického žiarenia od IR, VS, UV po RTG. Laser – kvantový generátor. 12/2/2020 71

Dopplerov jav, zdroj vlnenia a) v kľude, b) v pohybe 12/2/2020 72

Ošetrenie kožných lézií laserom 12/2/2020 73

Elektromagmetické žiarenie 12/2/2020 74

Účinky IR - IR tvorí dlhovlnná časť optického spektra. Má tepelný efekt a analgetický, spazmolytický a stimulačný účinok na imunologické reakcie. Účinky UV - Má výrazne biologické (denaturácia bielkovín, zmeny DNA, vznik mutácii, ccromozomových a morfologických zmie) a fotochemické účinky. Účinky mikrovlnného žiarenia - Šírenie rozhlasového a televízneho signálu, v rádiotelegrafii a bezdrôtovom spojení. V tkanivách vznik tepla. Biologické rytmy - Oscilácie procesov organizmu v čase patria medzi prejavy organizmu. Sú dedičné podľa teórie biologických hodín. 24 hodinový cyklus je základný biorytmus, pri ňom sa mení vyše 300 funkcií a procesov. Prelety cez časové pásma ovplyvňujú biorytmy. Starnutie – rozladenie a vymiznutie biorytmov. Klinický význam – vznik choroby. 12/2/2020 75

Biofyzika ionizujúceho žiarenia Rádiačná biofyzika sa zaoberá účinkami IŽ na biologické systémy. Prirodzené a umelé rádioizotopy, ktorých jadro je nestabilné. Samovoľný rozpad jadier je rádioaktivita a riadi sa fyzikálnymi zákonmi. Základný zákon rozpadu: - počet rádioaktívnych častíc klesá v závislosti od času a rýchlosti rozpadu. Druhy rozpadu - rozpad α (vznik častice α), - rozpad β (počet nukleónov je zachovaný), - γ (emisia elektromagnetického žiarenia) Podľa ionizácie – priamo ionizujúci s nábojom – e-, p+, α, a - nepriamo ionizujúce bez náboja – elektromagnetické žiarenie, neutróny, RTG, γ. IŽ je charakterizované energiou v elektrónvoltoch (e. V). Prírodné a umelé zdroje IŽ. Priemerné dávky týchto zdrojov sú 2, 5 m. Sv – 3, 5 m. Sv. Radón spôsobuje polovicu radiačnej zaťaženosti obyvateľstva. 12/2/2020 76

Rozpadový zákon a) lineárny súradnicový systém, b) semilogaritmický systém 12/2/2020 77

Zdroje IŽ v životnom prostredí 12/2/2020 78

Interakcia ionizujúceho žiarenia Interakcia medzi žiarením a absorpčným prostredím: - excitácia, ionizácia, vznik brzdného žiarenia, rozptyl, fotoefekt, Comptonov rozptyl, tvorba elektrón-pozitrónových párov a jadrové reakcie. α – strácajú energiu postupne s dĺžkou dráhy, ionizáciou (odtrhnutie e-) a excitáciou (vzbudenie e-). Dolet vo vzduchu je do 10 cm, vo vode a biologickom tkanive 0, 1 mm. β – častice majú 10 x slabšie ionizačné schopnosti ako α. Naráža na atómy prostredia a mení dráhu, ktorá je v tkanive 4 x dĺhšia ako pri α. Vo vzduchu je niekoľko metrov. λ – nejprenikavejšie, vo vzduchu niekoľko 100 m. Tri spôsoby interakcie: fotoefekt, Comptonov rozptyl, tvorba elektrónpozitrónových párov. Neutróny bez náboja, interakcie s jadrom atómu. 12/2/2020 79

Fotoefekt Comptonov rozptyl Tvorba elektrón- pozitronových párov 12/2/2020 80

Detekcia a dozimetria ionizujúceho žiarenia Nemáme receptory na vnímanie IŽ. Detektory podľa spôsobu registrácie IŽ: - pulzné a – integrálne Podľa účinku IŽ: -ionizačné, - scintilačné, - fotografické, - polovodičové, - tepelné, - chemické. Biologické účinky IŽ Procesy začínajú absorpciou energie IŽ. Radiobiologický efekt zložený z fyzikálnych, fyzikálnochemických, chemických a biologických dejov. Ochrana pred IŽ Cieľom je zabrániť radiačnému poškodeniu organizmu. Ochrana má fyzikálny, chemický alebo biologický charakter. 12/2/2020 81

Gaiger-Müllerov počítač, A-katóda, A-anóda, R-pracovný odpor Scintilačný počítač, Kr-scintilátor, Fk-fotokatóda, D-dynódy, A-anóda 12/2/2020 82

Senzitomerická charakteristika, S-sčernanie, D-dávka žiarenia 1 -úsek linearity, 2 -úsek nelinearity, 3 -úsek desolarizácie 12/2/2020 83

Biologické účinky ionizujúceho žiarenia Somatické Genetické Včasné Neskoré Akútna choroba z ožiarenia Chronický útlm krvotvorby Akútne poškodenie kože Chronický zápal kože Poruchy plodnosti Zákal očnej šošovky Nádorové ochorenia Genetické rôznych orgánov následky Leukémia u potomkov Poškodenie vývinu Plodu Nestochastické 12/2/2020 Stochastické 84

Medzinárodná sústava jednotiek SI zavedená 1. 1. 1980 SI: - základné jednotky, - doplnkové jednotky, -odvodené jednotky, - násobky a diely jednotiek SI. Prehľad skupín jednotiek: Veličina Dĺžka Hmotnosť Čas Elektrický prúd Termodynamická teplota Látkové množstvo Svietivosť 12/2/2020 Jednotka meter kilogram sekunda ampér kelvin mol kandela Značka m kg s A K mol cd 85

Predpona Značka Faktor Predpony násobkov jednotiek exa peta tetra giga mega kilo hekto deka- E P T G M K H da 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 Predpony dielov jednotiek deci centi mili mikro nano piko femto atto- d c m µ n p f a 10 -1 10 -2 10 -3 10 -6 10 -9 10 -12 10 -15 10 -18 12/2/2020 86

Názov Gravitačná konštanta Symbol, Hodnota -27 u = 1, 66057. 10 23 Na = 6, 02252. 10 -23 k = 1, 38054. 10 -34 h = 1, 0545. 10 -19 e = 1, 6021. 10 4 F = 9, 6487. 10 -11 κ = 6, 67. 10 Normálne tiažové zrýchlenie gn = 9, 80665 Molový objem ideálneho plynu Vm= 22, 4136. 10 Atómová hmotnostná jednotka Avogradova konštanta Boltzmannova konštanta Diracova konštanta Elementárny náboj Faradayova konštanta -3 Planckova konštanta -6 μo = 1, 256637. 10 -12 ε 0 = 8, 85419. 10 -34 h = 6, 6256. 10 Plynová konštanta R = 8, 3143 Permeabilita vákua Permitivita vákua Pokojová hmotnosť elektrónu Pokojová hmotnosť neutrónu Pokojová hmotnosť protónu 12/2/2020 Rýchlosť svetla vo vákuu Stefanova-Boltzmannova konštanta -31 m e = 9, 109558. 10 -27 mn = 1, 67482. 10 -27 mp = 1, 67252. 10 8 c = 2, 997925. 10 -8 σ = 5, 6697. 10 Jednotka kg mol -1 J. K -1 J. s A. s -1 A. s. mol -1 m. N. kg -2 m. s 3 -1 m. mol -1 H. m -1 F. m J. s -1 -1 J. K. mol kg kg kg m. s -1 -2 -4 W. m. K 87