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.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. RNDr. Ing. Jiří Šimurda, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav biomedicínského inženýrství (UBMI)

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.

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.

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.

Učební cíle

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.

Základní literatura

J.Šimurda: Bioelektrické jevy I, CERM Brno, 1995
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/
Biophysics - Wikipedie - the free encyklopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Biophysics

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-MN magisterský navazující

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

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. RNDr. Ing. Jiří Šimurda, CSc.

Osnova

Vymezení oboru biofyziky, vznik a funkce el. signálů v živých buňkách.
Fyzikální základy bioelektrických jevů, model, el. náhradní schéma.
Fyzikální výklad šíření akčního napětí. Kvantitativní popis.
Metody měření a analýzy membránových napětí a proudů.
Výklad bioelektrických jevů na molekulární úrovni. Metody měření.
Membránové kanály a přenašečové systémy.
Excitabilní buňka jako zdroj elektromagn. pole v okolním prostředí.
Kvantitativní popis elektromagn. pole generovaného biologickými zdroji.
Biomechanika svalové buňky.
Mechanika kardiovaskulárního systému.
Úvod do termodynamiky živých systémů.
Termodynamický popis elektrických jevů na biologických membránách.
Základy bioenergetiky.

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. RNDr. Ing. Jiří Šimurda, CSc.

Osnova

Elektrody pro měření na živých objektech.
Měření excitability.
Buněčná membrána jako dynamický systém - počítačová simulace.
Příprava pokusu pro měření na izolovaných buňkách
Měření mechanické aktivity srdečních buněk
Měření a analýza impedance tkáně