Detail předmětu

Bioelektrické jevy

FEKT-ABEJAk. rok: 2017/2018

Fyzikální výklad elektrických jevů v živé tkáni je speciální oblastí biofyziky. Předmět „Bioelektrické jevy“ seznamuje posluchače s biofyzikálním základem vzniku elektrických signálů na různých strukturálních úrovních, s pasivními elektrickými vlastnostmi živé tkáně a se současnými měřicími metodami.

Výsledky učení předmětu

Student, který absolvoval předmět je schopen :
- na základě známých fyzikálních zákonů vysvětlit vznik membránového napětí u živých buněk a definovat veličiny vystupující v Nernstově vztahu pro vyjádření rovnovážných napětí,
- 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,
- definovat pojmy „chemický potenciál a „elektrochemický potenciál“,
- 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 podstatu vazby mezi elektrickou excitací a kontrakcí buňky,
- 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

Prerekvizity

Jsou předpokládány znalosti z biologie, matematiky a fyziky odpovídající doposud absolvovaným předmětům bakalářského studia.

Doporučená nebo povinná literatura

J. Šimurda: Bioelektrické jevy I, CERM Brno, 1995 (CS)
S. Silbernagl, A. Despopoulos: Atlas fyziologie člověka, GRADA Publishing a.s. 2004 (CS)
F. Bezanilla:Electrophysiology and the Molecular Basis of Excitability. (University of California at Los Angeles) Volně dostupné na adrese http://nerve.bsd.uchicago.edu/ (EN)
T. F. Weiss: Cellular Biophysics, Massachusetts Institute of Technology,1996 (vol.2 –ISBN 0-262-23184-0)) (EN)
R.Plonsey: Bioelectric Phenomena. McGraw-Hill, New York, 1969 (EN)
R.Plonsey, R.C. Barr: Bioelectricity: A Quantitative Approach. Plenum Press, New York, 1988 (EN)
J.Šimurda, Bioelektrické jevy, elektronická skripta 2007 (CS)

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

čeština

Osnovy výuky

A. Bioelektrické jevy na úrovni buňky
1 Vznik a funkce elektrických signálů v živých buňkách (membránové napětí, akční napětí excitabilních buněk, šíření akčního napětí, fyziologický význam elektrické aktivity)
2 Metody měření membránového napětí a membránového proudu (možnosti získání elektrického kontaktu s vnitřkem buňky, technické problémy, varianty řešení)
3 Fyzikální základy bioelektrických jevů:
Klidové membránové napětí (model buňky pro výklad bioelektrických jevů, elektrické náhradní schéma buněčné membrán)
Akční napětí (mechanizmus spuštění impulzu akčního napětí, hlavní složky iontového membránového proudu, kvantitativní vztah mezi celkovým iontovým membránovým proudem a průběhem akčního napětí, základní typy kanálů z hlediska časové a napěťové závislosti, šíření akčního napětí buněčnými vlákny)
4 Kvantitativní popis elektrické aktivity excitabilní buňky (rovnice Hodgkina a Huxleyho pro nervové vlákno sépie, jejich řešení v podmínkách vnuceného proudu a vnuceného napětí, zobecnění pro jiné vzrušivé buňky, kvantitativní popis šíření vzruchu)
5 Termodynamický popis bioelektrických jevů (chemický a elektrochemický potenciál, odvození Nernstova vzorce, Donnanova rovnováha, Nernstova-Planckova rovnice, model membrány s konstantním elektrickým polem)

B. Bioelektrické jevy na molekulární úrovni
6 Membránové iontové kanály (biologická membrána, struktura a funkce iontových kanálů,
vrátkování, interakce látek s kanály, metody měření proudu z jednoho kanálu, princip metody „patch clamp“, analýza proudu registrovaného z jednoho kanálu
7 Přenašečové systémy transportu iontů (funkce přenašečových systémů, přenašečové výměnné systémy Na/K a Na/Ca)

C. Vazba mezi elektrickým podrážděním a stahem (kontrakcí) svalové buňky
8 Struktura a funkce svalu, rozdíly mezi typy svalových buněk
9 Hlavní strukturální a funkční prvky vazby mezi excitací a kontrakcí u srdeční buňky a pohyb iontů kalcia v buňce (kvantitativní vyjádření transmembránového přenosu Ca2+, výklad frekvenční závislosti kontrakce)
10 Molekulární děje podmiňující svalovou kontrakci

D. Bioelektrické jevy na úrovni tkání a orgánů
11 Vznik elektromagnetického pole při šíření vzruchu (membránový proud jako zdroj elektrického pole v okolní tkáni, diagnostické metody, pasivní elektrické vlastnosti tkáně)
12 Biofyzikální základy elektrokardiografie (vznik a šíření vzruchu v srdci, mechanizmus šíření, postup vlny podráždění, svodové systémy, EKG signál, poruchy rytmu a přirozené ochranné mechanizmy, ekvivalentní generátory elektrického pole srdce)
13 Kvantitativní popis elektromagnetického pole generovaného biologickými zdroji (vyjádření jako řešení Maxwellových rovnic, zjednodušení pro elektrické pole srdce)

Cíl

Cílem kurzu je naučit posluchače aplikovat poznatky získané předchozím studiem fyziky a matematiky na elektrické děje, probíhající v živých organizmech.

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 BTBIO-A bakalářský

    obor A-BTB , 3. ročník, zimní semestr, 5 kreditů, povinný

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1. ročník, zimní semestr, 5 kreditů, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor