Základy biofyziky, biochémie a rádiológie 1. OSE, 1. PA, 1. DH, 1. UZS, 1. FYZ FZ PU 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 1 1 1

Základy biofyziky 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 3 3 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 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 4 4 4

TS – výsek hmotného sveta, obsahujúci veľký počet interagujúcich častíc 17. 9. 2018 17. 9. 2018 5 5

Stavové veličiny 17. 9. 2018 17. 9. 2018 6 6

Prvá termodynamická veta Vyjadruje základný princíp o zachovaní energie. Platí všeobecne a absolútne pre jednu alebo nekonečný počet častíc napr. v ľudskom organizme. dU = A+Q dU 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+pV p = konšt. H je entalpia, U je vnútorná energia, p je tlak, V je objem 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 7 7 7

Transformácia a akumulácia energie v živých systémoch Zákon o zachovaní energie 17. 9. 2018 17. 9. 2018 8 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:  = Q1–Q2/Q1 = T1–T2/T1  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: dS = dQ/T dS je nekonečne malá zmena entropie, dQ je nekonečne malý prírastok tepla T je teplota deja Entropia je mierou neusporiadanosti systému. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 9 9 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 10 10 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 11 11 11

17. 9. 2018 17. 9. 2018 12 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 = n2/n1 +n2 n1 je počet mólov rozpúšťadla, n2 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 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 13 13 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 14 14 14

17. 9. 2018 17. 9. 2018 15 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 16 16 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: Základné – najviac zastúpené Hlavné – fyziologické procesy a látková výmena Stopové – ich nedostatok spôsobí patologické stavy až smrť 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17 17 17

17. 9. 2018 17. 9. 2018 18 18

Tvary buniek v ľudskom tele 17. 9. 2018 17. 9. 2018 19 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 H2O 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 s polárnymi skupinami bielkovín. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 20 20 20

Štruktúra molekuly vody 17. 9. 2018 17. 9. 2018 21 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 pH (približne 6,8) a má veľkú pufrovaciu schopnosť. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 22 22 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 23 23 23

Bunková membrána - supramolekulový útvar 17. 9. 2018 17. 9. 2018 24 24

Model bunkovej membrány 1-bielkovina, 2-dvojvrstva lipidov, 3-otvor, pór 17. 9. 2018 17. 9. 2018 25 25

Transport cez bunkovú membránu Ide o prenos živín, kyslíka do bunky a vylučovanie odpadu a CO2 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 26 26 26

Pasívny transport cez bielkovinové kanály iónový kanál otváraný naviazaním ligandu iónový kanál otváraný elektrický 17. 9. 2018 17. 9. 2018 27 27

Model sodíkovo-draslíkovej pumpy, 1-vonkajšia strana, 2- vnútorná strana, 3-membrána 17. 9. 2018 17. 9. 2018 28 28

Sodíkovo-draslíková pumpa 17. 9. 2018 17. 9. 2018 29 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 30 30 30

Hladiny iónov v niektorých bunkách 17. 9. 2018 17. 9. 2018 31 31

Pokojový membránový potenciál a rovnovážny potenciál draslíkových iónov Druhy bunky Vm/mV/ Vk/mV/ 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 17. 9. 2018 17. 9. 2018 32 32

Pemeabilita membrány pre draslíkové a sodíkové ióny 17. 9. 2018 17. 9. 2018 33 33

Priebeh AP v nervovom vlákne 17. 9. 2018 17. 9. 2018 34 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 medzi nervovými a svalovými, synapsa je funkčné spojenie pomocou chemických mediátorov. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 35 35 35

Schéma šírenia vzruchu cez synapsu 17. 9. 2018 17. 9. 2018 36 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 37 37 37

Svalové vlákno – schéma usporiadania kontraktilných elementov, A–anizotropné pásmo, I–izotropné pásmo, Z–disk 17. 9. 2018 17. 9. 2018 38 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 O2 a výživné látky a odvádzať z nich produkty látkovej premeny a CO2. 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 = 1/2mv2 Mechanická práca W = Wp + Wk a pri jednej systole je 1,13 J. Prúdenie krvi sa riadi rovnicou kontinuity: S1v1 = S2v2 Bernoulliho ronicou: 1/2mv12 + p1.V = 1/2mv22 + p2.V Krv prúdi následkom tlakových rozdielov vznikajúcich W srdca. pN = 16kPa/10,5kPa. Krv prúdi laminárne alebo turbulentne. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 39 39 39

Zloženie srdca 17. 9. 2018 17. 9. 2018 40 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%CO2, 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). 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 41 41 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 42 42 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). 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 43 43 43

Merný odpor tkanív Tkanivo 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 17. 9. 2018 17. 9. 2018 44 44

R-odpor tkaniva, C kapacita tkaniva RC obvod tkaniva R-odpor tkaniva, C kapacita tkaniva 17. 9. 2018 17. 9. 2018 45 45

Jednoduchá elektrokardiografická krivka 17. 9. 2018 17. 9. 2018 46 46

Elektrokardiografické vyšetrenie 17. 9. 2018 17. 9. 2018 47 47

Elektroencefalografia Magnetické signály tkanív 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 48 48 48

Biofyzika vnímania Vzťah podnetu a vnemu 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 49 49 49

Vnímanie chuti a čuchu Vnímanie zvuku 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 16-20000Hz. 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 50 50 50

Umiestnenie čuchových receptorov 17. 9. 2018 17. 9. 2018 51 51

Látka Rýchlosť zvuku [m/s] 340 1 500 1 400 1 700 3 200 5 000 5 200 Rýchlosť šírenia zvuku Látka Rýchlosť zvuku [m/s] Vzduch (13,4 °C) Voda (25 °C) Ortuť Beton Ľad Oceľ Sklo 340 1 500 1 400 1 700 3 200 5 000 5 200 17. 9. 2018 17. 9. 2018 52 52

Hlasitosť zdrojov zvuku Druh zvuku Hlasitosť /Ph/ Intenzita /W.m-2 / Prah počutia 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 17. 9. 2018 17. 9. 2018 53 53

Sluchové pole 17. 9. 2018 17. 9. 2018 54 54

Stavba ucha 17. 9. 2018 17. 9. 2018 55 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 vlnovo-časticový charakter. Oko vytvára obraz predmetu a mení energiu fotónov. Optická mohutnosť oka je 60D (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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 56 56 56

Stavba oka 17. 9. 2018 17. 9. 2018 57 57

Krátkozrakosť a ďalekozrakosť a korekcia okuliarmi a) pred korekciou, b) po korekcii 17. 9. 2018 17. 9. 2018 58 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 59 59 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 kPa. Pri potapaní – kesónová choroba. Pretlak sa využíva v pretlakových komorách (barokomorach), kde je 26,7-53,3 kPa. Terapia hypoxických stavov a pľúcneho emfyzému. Hyperbarická oxygenoterapia sa využíva pri otravách CO, kyanidmi, popaleninách a polytraumách. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 60 60 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 61 61 61

Ionoforéza 17. 9. 2018 17. 9. 2018 62 62

Hoowergova a Weissova krivka, I-intenzita prúdového impulzu, t-trvanie impulzu. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 63 63

Fyziologické účinky striedavého prúdu (60Hz), prechádzajúceho cez kožu (neporušenú) do tela 1 mA prah pocitu 5 mA bezpečný prúd cez kožu, ale nie cez implantovaný stimulátor srdca 10  20 mA začína svalová kontrakcia 50 mA bolesť, možnosť porúch srdca a dýchania 100  300 mA fibrilácia komôr (srdce prestáva pracovať ako pumpa) 6 A trvalá kontrakcia srdcových komôr, popáleniny na koži 17. 9. 2018 17. 9. 2018 64 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 65 65 65

Diatermia 17. 9. 2018 17. 9. 2018 66 66

Magnetoterapia 17. 9. 2018 17. 9. 2018 67 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 68 68 68

Rozsah termoregulácie človeka a poruchy 17. 9. 2018 17. 9. 2018 69 69

Termoterapia 17. 9. 2018 17. 9. 2018 70 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 71 71 71

Dopplerov jav, zdroj vlnenia a) v kľude, b) v pohybe 17. 9. 2018 17. 9. 2018 72 72

Ošetrenie kožných lézií laserom 17. 9. 2018 17. 9. 2018 73 73

Elektromagmetické žiarenie 17. 9. 2018 17. 9. 2018 74 74

Účinky IR - IR tvorí dlhovlnná časť optického spektra 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 75 75 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 (eV). Prírodné a umelé zdroje IŽ. Priemerné dávky týchto zdrojov sú 2,5mSv – 3,5mSv. Radón spôsobuje polovicu radiačnej zaťaženosti obyvateľstva. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 76 76 76

Rozpadový zákon a) lineárny súradnicový systém, b) semilogaritmický systém 17. 9. 2018 17. 9. 2018 77 77

Zdroje IŽ v životnom prostredí 17. 9. 2018 17. 9. 2018 78 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 10x slabšie ionizačné schopnosti ako α. Naráža na atómy prostredia a mení dráhu,ktorá je v tkanive 4x dĺhšia ako pri α. Vo vzduchu je niekoľko metrov. λ – nejprenikavejšie, vo vzduchu niekoľko 100 m. Tri spôsoby interakcie: fotoefekt, Comptonov rozptyl, tvorba elektrón-pozitrónových párov. Neutróny bez náboja, interakcie s jadrom atómu. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 79 79 79

Fotoefekt Comptonov rozptyl Tvorba elektrón- pozitronových párov 17. 9. 2018 17. 9. 2018 80 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. 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 81 81 81

Gaiger-Müllerov počítač, A-katóda, A-anóda, R-pracovný odpor Scintilačný počítač, Kr-scintilátor, Fk-fotokatóda, D-dynódy, A-anóda 17. 9. 2018 17. 9. 2018 82 82

Senzitomerická charakteristika, S-sčernanie, D-dávka žiarenia 1-úsek linearity, 2-úsek nelinearity, 3-úsek desolarizácie 17. 9. 2018 17. 9. 2018 83 83

Biologické účinky ionizujúceho žiarenia Somatické Genetické Včasné Neskoré Akútna choroba z ožiarenia Akútne poškodenie kože Poruchy plodnosti Poškodenie vývinu Plodu Chronický útlm krvotvorby Chronický zápal Zákal očnej šošovky Nádorové ochorenia rôznych orgánov Leukémia následky u potomkov Nestochastické Stochastické 17. 9. 2018 17. 9. 2018 84 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 Jednotka Značka Dĺžka Hmotnosť Čas Elektrický prúd Termodynamická teplota Látkové množstvo Svietivosť meter kilogram sekunda ampér kelvin mol kandela m kg s A K cd 17. 9. 2018 17. 9. 2018 17. 9. 2018 85 85 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 dielov 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 17. 9. 2018 17. 9. 2018 86 86

Názov Symbol, Hodnota Jednotka Atómová hmotnostná jednotka u = 1,66057. 10-27 kg Avogradova konštanta Na = 6,02252. 1023 mol-1 Boltzmannova konštanta k = 1,38054. 10-23 J. K-1 Diracova konštanta h = 1,0545. 10-34 J. s Elementárny náboj e = 1,6021. 10-19 A. s Faradayova konštanta F = 9,6487. 104 A. s. mol-1 Gravitačná konštanta κ = 6,67. 10-11 m. N. kg-1 Normálne tiažové zrýchlenie gn = 9,80665 m. s-2 Molový objem ideálneho plynu Vm= 22,4136. 10-3 m3. mol-1 Permeabilita vákua μo = 1,256637. 10-6 H. m-1 Permitivita vákua ε0 = 8,85419. 10-12 F. m-1 Planckova konštanta h = 6,6256. 10-34 Plynová konštanta R = 8,3143 J. K-1. mol-1 Pokojová hmotnosť elektrónu m e = 9,109558. 10-31 Pokojová hmotnosť neutrónu mn = 1,67482. 10-27 Pokojová hmotnosť protónu mp = 1,67252. 10-27 Rýchlosť svetla vo vákuu c = 2,997925. 108 m. s-1 Stefanova-Boltzmannova konštanta σ = 5,6697. 10-8 W. m-2. K-4 17. 9. 2018 17. 9. 2018 87 87