Biofyzika bunkyBunka je základnou stavebnou, funkčnou a rozmnožovacou jednotkou živého organizmu, ktorá obsahuje 108 makromolekúl a okolo 1018-1020 ostatných molekúl a iónov.

Predstavuje otvorený termodynamický systém, ktorý si s okolím vymieňa energiu a informácie, zabezpečuje látkovú premenu a generuje elektrické signály.

Aby sme mohli hovoriť o bunke potrebujeme vedieť niečo o molekulách a molekulových komplexoch.

Molekulová biofyzika

Jej cieľom je skúmanie vlastností živých systémov a dejov prebiehajúcich na úrovni molekúl alebo vyšších molekulových komplexov.

Pre pochopenie dejov v živých systémoch je potrebné vychádzať z popisu štruktúry a vlastností jednoduchších molekúl a ich súborov a hlavne

z výkladu interakcií ( vzájomného pôsobenia) medzi nimi.

Interakcie medzi stavebnými časťami látok

Molekula – zväzok atómov spútaný tak pevne, že vystupujú spoločne ako jedna častica

Väzbové sily alebo jednoducho chemická väzba - súdržné (kohézne) sily, ktoré udržujú atómy v molekule pohromade.

Poznáme tieto väzby:

Silné interakcie (chemické, väzbové) – podmieňujú tvorbu molekúl z atómov, keď dochádza k zdieľaniu elektrónov alebo elektrónových párov za vzniku chemických väzieb

Interakcie slabé (neväzbové, van der Waalsove) – medzimolekulové interakcie, ktoré nie sú spôsobené zdieľaním elektrónov ako u silných interakcií, ale iba vzájomným elektrostatickým ovplyvňovaním či prekrývaním elektrónových oblakov susedných molekúl

Podľa druhu a orientácie rozlišujeme tri druhy neväzbových interakcií:

Dipólové interakcie – vznikajú vzájomným pôsobením polárnych molekúl (dipól – dipól)

Indukčné interakcie – vznikajú pri stretnutí častíc typu dipól–nepolárna molekula

Disperzné interakcie – vznikajú medzi nepolárnymi molekulami (kvantovo mechanické vysvetlenie)

I keď neväzbové interakcie sú slabé, významne ovplyvňujú vlastnosti a reaktivitu biologicky účinných látok.

Molekulové vlastnosti látok

Vzájomné vzťahy medzi atómami a molekulami, hlavne existencia interakcií rôznych intenzít a dosahu, ovplyvňujú fázové stavy látok – skupenstvá.

Skupenské stavy látok

Plynný – vzájomné vzdialenosti sú veľké, príťažlivé sily sa prakticky neuplatňujú. Častice plynu vyplňujú asi 1 % objemu plynu. Stály neusporiadaný pohyb častíc spôsobuje, že plyn nezachováva vlastný tvar ani objem, ale vypĺňa celý priestor

Kvapalný – molekuly sa vzájomne dotýkajú a interakcie sú dostatočne silné aby kvapaliny zachovávali svoj objem, ale nie natoľko silné aby zabránili ich pohybu. Kvapaliny majú preto tvar nádoby, v ktorej sa nachádzajú.

Pevný – silné interakcie, pohyb častíc je obmedzený a konajú iba kmitavý pohyb. Tuhé látky zachovávajú svoj tvar aj objem

BunkaChemické zloženie bunkyOrganizácia bunkyTypy buniek

prokaryotickýeukaryotický

Príjem a výdaj látokBunkový cyklus

Všetko možné o bunke

Elektrické vlastnosti tkanív

Analýza elektrických vlastností živočíšnych tkanív a orgánov sa deje z dvoch pohľadov.

Na jednej strane sa študuje chovanie danej sústavy v elektrickom poli (pasívne elektrické vlastnosti), na druhej strane sa sledujú elektrické javy, ktoré vznikajú pri činnosti daného orgánu (aktívne elektrické vlastnosti).

Táto analýza tvorí základ elektroterapie a elektrodiagnostiky.

• Pasívne elektrické vlastnosti

• Aktívne elektrické vlastnosti

Pasívne elektrické vlastnosti

Živé tkanivo sa v elektrickom poli nechová ako kovové vodiče alebo elektrolyty.

Tkanivá sú makroskopicky aj mikroskopicky nehomogénne.

Elektrický prúd teda prechádza prostredím rôzneho chemického zloženia, viskozity a štruktúry (medzibunkové prostredie, bunková membrána, cytoplazma a pod.).

Každé z týchto prostredí je charakterizované určitou mernou vodivosťou (medzibunkové prostredie a cytoplazma bunky 0,2-1,0 S.m-1, bunkové membrány 106-108 S.m-1).

Pre jednosmerný prúd sa tkanivo ako zoskupenie buniek javí ako nevodivé.

S nárastom frekvencie prúdu, odpor bunkových membrán klesá. Správajú sa ako biologické kondenzátory. Ich kapacita je pomerne stála a rovná približne 1 F.cm-2.

Pasívne elektrické vlastnosti tkaniva možno znázorniť schémou, kde R1, R2,

R3 predstavujú ohmické odpory tkanivových elektrolytov a C kapacitu

bunkových membrán.

Elektrický odpor tkanív

Vedenie elektrického prúdu v cytoplazme a medzibunkovou tekutinou sa deje elektrolyticky (vedú ióny).

Iné spôsoby vedenia prúdu sa uplatňujú veľmi málo. Celková vodivosť je výrazne ovplyvnená frekvenčne závislými kapacitami bunkových membrán.

Elektrický odpor tkanív závisí od ich funkčného stavu. Pri ukončení životných prejavov nastáva pokles odporu. Konečná hodnota odporu mŕtveho tkaniva odpovedý odporu cytoplazmy, čo svedčí o rozpade bunkových membrán.

Cytoplazma 1,0 .m, tekutina tela 0,8-1,3 .m, tukové tkanivo 10-15 .m, tkanivá kostí asi 30 .m

Aktívne elektrické vlastnostiBunky vzruchových tkanív (nervové a svalové) prechádzajú pri podráždení do vzbudeného stavu. Vzruch je schopnosť buniek odpovedať na podráždenie (podnet), čo sa prejavuje fyzikálnochemickými procesmi a funkčnými zmenami membrány.

Základným elektrickým prejavom spojeným s činnosťou vzruchových tkanív je činnostný (akčný) potenciál. Podráždením sa mení potenciál. Vznik a priebeh je typický pre nervovú bunku aj pre svalové tkanivo.

Nervové vlákno je prispôsobené na rýchle vedenie vzruchov na dlhé vzdialenosti a úlohov svalového vlákna je premena energie chemických väzieb na mechanickú prácu formou svalového sťahu.

Synapsa – spoj nervových buniek (nervová synapsa) alebo spoj nervovej bunky so svalovým vláknom (nervovo svalová synapsa)

Činnostný potenciálČinnostný potenciál je základným prvkom kódovania a prenosu informácií v nervovom systéme. Po prebehnutí svalovej kontrakcie sa hodnota potenciálu podráždeného miesta vráti do kľudového potenciálu.

• Činnostné potenciály svalové Motorická jednotka je tvorená skupinou svalových vlákien

zásobovaných nervovým vláknom jedného motorického neurónu (nervovej bunky). Je základom spojenia nerv – sval.

Podráždenie v podobe vzruchu prichádza nervovým vláknom k motorickej jednotke, ktorá odpovedá sťahom. Prenos podráždenia na svalové vlákno závisí jednak na dráždivosti motorického neurónu a jednak na funkčnom stave nervovo svalovej synapse.

Na každé podráždenie odpovedá sval vznikom činnostného potenciálu (kostrový sval asi 30mV po dobu 4 ms)

•Činnostné potenciály srdcové

Vlákno srdcového svalu sa vyznačuje dlhou dobou trvania činnostného potenciálu (200 ms). Srdce môžeme považovať za dipól, ktorého dipólový moment je v každom momente daný sumov dipólových momentov jednotlivých vlákien.

•Činnostné potenciály mozgové

Základom elektrickej aktivity nervových buniek je depolarizácia a následná repolarizácia ich bunkových membrán.