Detail předmětu

Biofyzika

FEKT-LBFYAk. rok: 2019/2020

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

Biophysics - Wikipedie - the free encyklopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Biophysics (EN)
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) 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, R.C. Barr: Bioelectricity: A Quantitative Approach. Plenum Press, New York, 1988 (EN)
J. Šimurda: Bioelektrické jevy I, CERM Brno, 1995 (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
Elektrické 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)
Elektrické projevy na molekulární úrovni
5 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
6 Přenašečové systémy transportu iontů (funkce přenašečových systémů, přenašečové výměnné systémy Na/K a Na/Ca)
Elektrické projevy na úrovni tkání a orgánů
7 Vznik elektromagnetického pole při šíření vzruchu (membránový proud jako zdroj elektrického pole v okolní tkáni, diagnostické metody, pasivní elektrické vlastnosti tkáně)
8 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)
9 Kvantitativní popis elektromagnetického pole generovaného biologickými zdroji (vyjádření jako řešení Maxwellových rovnic, zjednodušení pro elektrické pole srdce)

B. Biomechanika
1 Vazba mezi elektrickým podrážděním a kontrakcí svalové buňky (hlavní strukturální a funkční prvky vazby mezi excitací a kontrakcí u srdeční buňky, vápníkové ionty a jejich úloha v procesu spuštění a řízení kontrakce)
2 Molekulární děje podmiňující svalovou kontrakci
3 Struktura a funkce svalu
4 Mechanika kardiovaskulárního systému (struktura a funkce kardiovaskulárního systému, průtok krve v cévě, poměry v aortě, práce levé komory, napětí ve stěně, regulace krevního oběhu)

C. Biotermodynamika
1. Úvod do termodynamiky živých systémů
2. Gibbsova energie, chemický a elektrochemický potenciál (změna Gibbsovy energie v průběhu chemické reakce, změna standardní Gibbsovy energie)
3. Termodynamický popis bioelektrických jevů (směr transmembránového přenosu iontů, odvození Nernstova vzorce, Donnanova rovnováha, Nernstova-Planckova rovnice, model membrány s konstantním elektrickým polem)
4. Vedení elektrického proudu živou tkání (impedance tkáně, vlastnosti elektrod)
5. Základy bioenergetiky (energie a životní procesy, uchovávání a znovuzískávání chemické energie, tok energie v ekosystému)

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-ML1 magisterský navazující

    obor ML1-BEI , 1. ročník, zimní semestr, 5 kreditů, teoretická nadstavba

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

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

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor