1 Biosystem člověka (1) - Úvod Petr Maršálek přednáška/ FBMI ČVUT Katedra Biomedicínské Techniky FBMI ČVUT LF UK Praha, Ústav patologické fyziologie Integrativní výklad fyziologie člověka s důrazem na biologické transporty (přednáška podle osnov a s využitím prezentací prof. MUDr. Pavla Kučery, PhD.) Toto je v jakékoliv formě (PPT, PDF, atd.) neoficiální výukový materiál

2 Cíle této části (1) 1.definovat živý systém v termodynamickém pojetí 2.definovat buňku a její hlavní funkce 3.vysvětlit koncept homeostásy na úrovni jednobuněčného a mnohobuněčného organismu 4.popsat složení a objemy základních elektrolytických oddílů lidského těla 5.definovat a klasifikovat (spřažené) transporty charakterizující živé organismy 6.vysvětlit, že základem buněčných funkcí jsou konformační změny proteinů 7.vysvětlit jak živočisné buňky generují a využívají energii

3 pochopit: -funkční organizaci živých organizmů -základní koncepty systémového přístupu k lidskému organismu -experimentální a vyšetřovací metody užívané ve fyziologii a medicíně -integrované funkce systémů skýtajících uplatnění pro biomedicínské techniky a inženýry být schopen: - definovat zajímavé problémy a navrhnout jejich řešení - využít získaných znalostí: v oblasti biomedicinského inženýrství v oblasti biotechnologie koncepce → vývoj→validace→ uplatnění nových technologií Obecné cíle

4 Plán přednášek/ Harmonogramy Obecná a speciální fyziologie/ Biofyzika ÚVOD OD BUŇKY KE TKÁNI A ORGÁNU DÝCHACÍ A OBĚHOVÝ SYSTÉM VYLUČOVACÍ SYSTÉM TRÁVICÍ SYSTÉM NERVOVÝ SYSTÉM SMYSLOVÉ SOUSTAVY POHYBOVÝ SYSTÉM SYSTÉM ŽLÁZ S VNITŘNÍ SEKRECÍ POHLAVNÍ/ ROZMNOŽOVACÍ SYSTÉM... DALŠÍ SYSTÉMY...

5 Studijní prameny [0] Především přednášky a cvičení [1] M. Vokurka a kol. Patofyziologie pro nelékařské směry. Kapitoly 2 a Apendix (=přívěsek, to jest poslední, 23. kapitola) Karolinum, Praha. První vydání Čtvrté vydání (plus e-book) [2] Mourek J., Učebnice pro studenty zdravotnických oborů.Grada, 2012 [3] S. Silbernagl a A. Despopoulos: Atlas fyziologie člověka, Grada, Praha, 1995; [4] S. Silbernagl a F. Lang: Atlas patofyziologie člověka, Grada, Praha, 2001 čerpáme buďto z českých, či z anglických verzí a reedicí. [5] S. Silbernagl a A. Despopoulos: Color atlas of physiology, 4th English ed., Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1991; [6] S. Silbernagl a F. Lang: Color atlas of pathophysiology, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 2000.

6 Co je fyziologie?/ Redukcionismus 1 (slabý :-) adaptation living systems Science thatstudies the normal functions of 1 What is PHYSIOLOGY, (Ř.: physis, logos )    2 aims to understand mechanisms of uses experimental approach 4 3 is interdisciplinary(biology, morphology, chemistry, physics, psychology...) Physiology represents the foundations of Systems biology... ? How do organisms function? Studied from molecular (microscopic) level, through intermediate (mesoscopic level) to macroscopic size level.

7 1 SYSTEM = a portion of universe delimited for consideration ° °existing or arbitrarily defined by our thought Characteristics: -energy & matter:open isolated closed meters do not vary:stationary periodic 3 EVOLUTION Initial state (U 1 )?final state (U 2 ) U 2 -U 1 = dU = Q + W* dU = TdS + PdV +µdn + edq + … 2 STATE -parameters do not vary: -means of para- stable 4 STRUCTURE  of forces = 0; net fluxes absent:equilibrium  of forces?0 net fluxes present:dissipative UNIVERSE SURROUNDINGS (environment) barrier(membrane) SYSTEM 1 EXCHANGES -no exchange: -energy only: internal energy U n V T° P q … * work done ON the system (bio) – systém, soustava výměny energií

8 Structure equilibrium: cold plate distribution of variables the most likely the most homogeneous the most stable sum of forces = 0; absence of net fluxes dissipative:distribution of variables unlikely inhomogeneous hot plate sum of forces?0 presence of net fluxes sum of fluxes = 0 state far from equilibrium maintained by the heat transfer temperature gradient?surface tension gradient?ejection of fluid from the hot to the cold region. To conserve mass, hot fluid ascends from the lower plane. Classical T°dynamics: Non-equilibrium T°dynamics: transfer of heat = generator of losses?CHAOS transfer of heat = generator of ORDER Johnjoe McFadden: The Quantum evolution, hot white and black chimneys, horké bílé (a černé) komíny

9 What is life? C. E. Folsome, The Origin of Life. The little warm pond (1979): Life is that property of matter that results from cycling of bioelements in aqueous solution, ultimately driven byradiant energyto attain maximal complexity. Simple bioelements: “CHNOPS” organic inorganic PHOSPHORUS organic inorganic OXYGEN organic inorganic NITROGEN organic inorganic CARBON organic inorganic SULPHUR organic inorganic HYDROGEN Radiant energy drives the phosphorus cycle to which the other cycles are chemically coupled according to their specific turn ratios:. Coupled bioelemental cycles (L. Onsager, Nobel in chemistry1968). Organic molecules: proteins carbohydrates lipids nucleic acids phosphorylated compounds … Ecology: Such a cycling takes place at planet scale and cannot exist without -primary producers -users -scavengers Život je koloběh látek, energie a informace Co je život?

10 Souhrn č. 1

11 Mikro- a makro- anatomie, stavba lidského těla

12 BUŇKA

13 Panta rei Vše plyne

14 Stabilita, adaptace v jednobuněčném organismu

15 Stabilita, adaptace v mnohobuněčném organismu

16 Experimenty

17 Termoregulace/ model

18 Modelování a systémový přístup

19 Human physiome project

20 Biological transports

21 Redukcionismus/ koncept homunkula/ mechanistické výklady/ vitalismus

22 Leitfaehigkeit = conductance = vodivost

23 2) Both reactions need acommon intermediate Example: protein synthesis = formation of peptide bonds Leu + Gly LeucylGlycine  G: +4.5 Kcal/mole CH 3 I III HO 2 HH II H 2 N-C-C-N- aa -C-N– n II O L ij =L ji ???? J i = L ij xF j andJ j = L ji xF i where COUPLED TRANSPORTS ?? If a transportJ i is also dependent on an additional forceF j then: coupling Example: In simultaneous presence of fluxes of heat and of matter, the heat flow per unit of pressure difference and the density (matter) flow per unit of temperature difference are equal (reciprocity relations of Onsager). CHEMICAL COUPLING OF FLUXES: N.B. Most biological transportsare coupled! 1) Reactions with high free energy (  G) drive reactions with lower freeenergy t-RNA ATPAMP+PP  G:-8 Kcal/mole Recall: for a chemical reaction A+B?C+D at equilibrium the corresponding  G =-RTln [C]. [D] / [A]. [B] Nota bene: most biological transports are coupled Spřažené transporty

24 Makro- a mikro- transporty

25 transport along the gradient [S] o - i out in 0 [S] i a 1cm 2 Diffusion is the transport of particles that -takes place in absence of convection (movement of milieu), -is a consequence of constant thermal motion of particles, -is due to an inhomogeneity in the milieu, -proceeds in the sense of decreasing concentration, -results in uniform distribution, -is an irreversible phenomenon. The flux of molecule S (J S ) across a membrane of thickness dx is proportional to the concentration gradient across the membrane d [S ] /dx which gives : Fick's First Law of Diffusion: J S ~ d[S] /dx or J S =-D S. d[S] /dx ? J S dx = -D S ? d[S] o out ain Rearranging gives: Integration with x varying between 0 anda(thickness of the membrane), and [A] from [A] 0 (out) to [A] i (in) gives: J S =-D S {[S] i -[S] o } = D S {[S] o -[S] i } or J S = (D S /x) {[S] o -[S] i } or J S = P S {[S] o -[S] i } A plot of J S versus {[S] 0 -[S] i } is linear, with a slope of P S. J S : initial flux (mol.cm -2. s -1, measured for a short time (concentrations of S on both sides of the membrane do not change significantly. D S : diffusion coefficient (cm -2 s -1 ), negative sign as concentration increases in the opposite direction of net flux. P S : permeability coefficient (cms -1 ). Difúze

26 Nernstova rovnice

27 Transport přes membránu

28 Stavba membrány

29 Energetika

30 Adenosin-tri-fosfát jako energetický ekvivalent v buňce

31 ATP-syntása je turbína !?...

32 Skladba tělesných tekutin a prostorů 1

33 Skladba tělesných tekutin a prostorů 2