Detail předmětu

Biophysics

FEKT-NBFYAk. rok: 2015/2016

Výklad elektrických jevů v živé tkáni. Aktivní elektrické projevy živé tkáně na molekulární, buněčné, a orgánové úrovni. Metody měření membránových napětí a proudů u izolovaných buněk a diskrétních signálů zaznamenávaných na molekulární úrovni. Analýza impulsů akčních napětí a jejich šíření. Celulární základ vzniku diagnosticky významného elektromagnetického pole orgánů. Vazba mezi elektrickým podrážděním a svalovou kontrakcí. Základy biomechaniky, mechanika svalu, mechanika kardiovaskulárního systému. Úvod do bioetermodynamiky. Význam a příklady použití Gibbsovy energie a elektrochemických potenciálů v biofyzice. Ekosystém z hlediska biotermodynamiky.

Výsledky učení předmětu

Student, který absolvoval předmět je schopen :
- na základě známých fyzikálních zákonů vysvětlit vznik membránového napětí u živých buněk
- popsat elektrické náhradní schéma buňky,
- vysvětlit vznik akčního napětí u excitabilních buněk a mechanizmus jeho šíření buněčnými vlákny,
- popsat základní metody měření membránových napětí a membránových proudů,
- charakterizovat elektrické signály zaznamenávané na buněčné a molekulární úrovni a popsat jejich vzájemný vztah,
- popsat rozdíly mezi funkcí membránových kanálů a přenašečů,
- popsat vztah mezi šířící se excitací na úrovni buňky a vznikem elektromagnetického pole v okolní tkáni,
- vysvětlit vznik ECG signálu na základě šíření akčního napětí sítí srdečních buněk,
- připravovat fyziologické roztoky, měřit jejich pH, měřit impedanci živé tkáně a vlastnosti elektrod,
- vysvětlit podstatu vazby mezi elektrickou excitací a kontrakcí svalové buňky,
- aplikovat fyzikální zákony na situaci v kardiovaskulárním systému,
- definovat pojmy „chemický potenciál“ a „elektrochemický potenciál“ a ovládat jejich použití pro výklad bioelektrických jevů,
- vysvětlit z termodynamického pohledu fungování ekosystému: cirkulaci látek a tok energie.

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia.

Doporučená nebo povinná literatura

J.Šimurda: Bioelektrické jevy I, CERM Brno, 1995
Ghista D.N., Van Vollenhoven E., Yang W.J., Reul H., Bleifeld W.: Advances in Cardiovascular Physics, Karger, Basel-Munchen-Paris-London-New York-Tokyo-Sydney,1983
Peusner L.: Základy bioenergetiky, Alfa Bratislava, 1984
F. Bezanilla: Electrophysiology and the Molecular Basis of Excitability. (University of California at Los Angeles) http://nerve.bsd.uchicago.edu/
R.Plonsey, R.C. Barr: Bioelectricity: A Quantitative Approach. Plenum Press, New York, 1988
Biophysics - Wikipedie - the free encyklopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Biophysics
Weiss,Thomas Fischer: Cellular Biophysics, Massachusetts Institute of Technology,1996

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.

Způsob a kritéria hodnocení

Podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Jazyk výuky

angličtina

Osnovy výuky

Vymezení oboru biofyziky, vznik a funkce el. signálů v živých buňkách.
Fyzikální základy bioelektrických jevů, model, elektrické náhradní schéma. Fyzikální výklad vzniku klidového a akčního napětí. Šíření akčního napětí buněčnými vlákny a syncytiem. Kvantitativní popis.
Metody měření a analýzy membránových napětí a proudů.
Výklad bioelektrických jevů na molekulární úrovni. Membránové kanály a přenašečové systémy. Měření a analýza membránového proudu na molekulární úrovni. Interakce látek s kanály.
Excitabilní buňka jako zdroj elektromagnetického. pole v okolním prostředí.
Kvantitativní popis elektromagn. pole generovaného biologickými zdroji na základě Maxwellových rovnic.
Biomechanika svalu. Vazba mezi excitací a kontrakcí. Molekulární děje podmiňující svalovou kontrakci. Mechanika kardiovaskulárního systému (KVS). Architektura a fyzikální vlastnosti KVS, kvantitativní modelování KVS.
Úvod do termodynamiky živých systémů. Gibbsův potenciál, chemický potenciál, elektrochemický potenciál. Základy bioenergetiky. Energetika chemických reakcí. Tok energie v ekosystému. Odvození Nernstova vztahu, Nernstova-Planckova rovnice a její důsledky. Termodynamický popis elektrických jevů na biologických membránách. Vedení el. proudu živou tkání.

Cíl

Cílem kursu je naučit posluchače aplikovat fyzikální teorie a měřicí metody na živé systémy.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-MN magisterský navazující

    obor MN-BEI , 1. ročník, zimní semestr, 5 kreditů, teoretická nadstavba

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor