szerkezete III. Huber Tamás

Átírás

1 Víz A víz v z biológiai szerepe, folyadékáraml ramlás. Huber Tamás Az egyetlen vegyület, mely a természetben folyadék. Az egyetlen vegyület, mely a természetben mindhárom halmazállapotban megtalálható. Szervetlen, de a szerves élet számára létfontosságú. Élılények Medúza Éti csiga Pisztráng Cápa Béka Baktérium Emberi magzat Felnıtt ember % Emberi szövetek, szervek Tüdı Vér Izom Lép Vese Agy Máj Bır Zsír Csont % A vízmolekula v szerkezete I. Az egyik legkisebb molekula: alig nagyobb, mint egy atom Oxigén: s s p 4 Tetraéder szerkezet Å (jég - vízgız) H O H Elektronegativitás: Kémiai tulajdonság mely jellemzi, az atom azon képességét, hogy mennyire képes magához vonzani a kovalens kötésben résztvevı elektronokat (= elektronvonzó képesség, Linus Pauling 93). Elektronegativitás különbsége A vízmolekula v szerkezete II. kötéstípus EN=0 apoláros kovalens kötés EN>0 kis különbség poláros kovalens kötés nagy különbség ionos kötés Poláros kovalens kötés: dipól molekula (kétpólusú molekula) nem-kötı elektronpárok Nagy állandó dipólmomentum A vízmolekula v szerkezete III. Hidrogén kötés: Kémiai kötés mely egy erısen elektronegatív, kis mérető és nemkötı elektronpárral rendelkezı atom (pl. oxigén) nemkötı elektronpárja és egy kevésbé elektronegatív atom (hidrogén) között jön létre. ~0x gyengébb mint a kovalens kötés (de erısebb mint a többi másodrendő kötés). Folyamatosan szőnnek meg és jönnek létre a vízben. A vízmolekulák ~5%-a hidrogén kötésben van. A jég szerkezete A víz szilárd formája. Közönséges jég: hexagonális (hatoldalú) szerkezet. Koordinációs szám: 4 (minden molekula 4 másikat koordinál). Interstitium: elférne benne egy vízmolekula. Sőrősége kisebb mint a vízé. (H O: 998. kg/m3 0 o C-on, 4 o C on a legmagasabb) (halak túlélését nagyban segíti) A hidrogén kötés következményei: Magas olvadás és forráspont Magas viszkozitás Nagy hıkapacitás (egységnyi mennyiségő anyag hımérsékletének egy egységnyivel való megváltoztatásához szükséges energia mennyiség) Nagy felületi feszültség Víz dimér: H-kötés a proton és nem-kötı elektronpár között

2 Fázisdiagram A víz v z biológiai szerepe Fázisgörbe: két fázis egyensúlyban Fázisgörbék közötti terület: egyetlen fázis van jelen Metszéspont: hármaspont Magas párolgáshı (500 kj/kg 0 C-on, 0,35 kpa) a hıleadást (hőtést) segíti (láz). P (kpa) olvadáspont görbe forráspont görbe Magas hıkapacitás (484 J Kg K ) exoterm reakciók hımérséklet növelı hatását csökkenti. Reakció közeg, oldószer, diszperziós közeg (vér) valamint reakciók résztvevıje is. JÉG VÍZ Kötött víz a fehérjék és a nukleinsavak felszínén hidratáció (max. 30%-a a fehérje tömegének). 0 Kötött víz található a sejtmembrán felszínén is. szublimációs görbe GİZ A tápanyagok és egyéb biológiailag fontos vegyületek vízben vannak feloldva T ( C) Folyadékáraml ramlás Az áramlások hajtóereje a nyomáskülönbség. Az áramlási törvények folyadékokra és gázokra egyaránt érvényesek, amíg az áramlási sebesség nem haladja meg a közegbeli hangsebességet. Térfogati áramerısség: V Q = t [m 3 /s] Az áramlás erıssége az áramlási csı keresztmetszetén áthaladó folyadék térfogatának és az áramlás idejének a hányadosa. folyamatos (pl. növényi nedvek) lamináris (réteges) ha az áramlás sebessége (v) kicsi képest nincs keveredés sima felszín Az áramló közeg lehet: Az áramlások fajtái - pulzáló (pl. vérkeringés) - turbulens (örvényes) ha az áramlás sebessége (v) a viszkozitáshoz arányosan nagy örvényes durva felszín ideális folyadék (nulla viszkozitás) - absztrakció, kivéve a folyékony He egyik módosulata! newtoni folyadék (csak a hımérséklettıl függ a viszkozitás) nem-newtoni folyadékok (a viszkozitás függ az áramlás sebességétıl - és a hımérséklettıl) STACIONÁRIUS az áramlás lamináris áramlásokban, ha nincs forrás vagy nyelı, illetve konzervatív áramlási térben, ahol a be- és kiáramlás összege nulla (pl. az érrendszer kapillárisaiban). Forrás (beáramlás) Nyelı (kiáramlás) Stacionárius áramlásban a t idı alatt bármely teljes keresztmetszeten (pl. A és A ) átáramló folyadéktérfogat ugyanaz V = V ; a folyadékrészecskék elmozdulása s és s, ennek megfelelıen V =A. s és V =A. s t-vel való osztás után: A. s / t = A. s / t azaz A.v =A.v Ezt az egyenletet nevezzük kontinuitási/folytonosságiegyenletnek, ahol v ésv a folyadékrészecskék mozgási sebességét jelentik. Kísérlet: Egy A keresztmetszető csövön keresztül v sebességgel áramló folyadék, egy A keresztmetszető csıbe érve sebessége v -re változik. Stacionárius áramlást feltételezve az áramerısség állandó, a folyadék térfogata változatlan: A v t = A v t = V A v = A v v / v = A / A Változó keresztmetszető csıben az áramlás sebessége a csı keresztmetszetével fordítva arányos. Munka: p V= p V Energetikailag Az energia megmarad: W + E = W + E p V + (mv /) = p V + (mv /) Bernoulli törvt rvény Energia (mozgási): (mv /) = (mv /) Bernoulli törvénye: ρ v ρ v p + = p + = áll. p: sztatikai, (ρv /): dinamikai nyomás

3 Közegellenállás Áramlás ferde csıben A helyzeti energia változását is figyelembe kell venni: mgh = mgh p V + mgh + (mv /) = p V + mgh + (mv /) p + ρgh + (ρv /) = p + ρgh + (ρv /) Bernoulli egyenlet általános alakja: ρ v ρ v p + + ρ g h = p + + ρ g h = áll. Def.: Ha valamilyen folyékony vagy gáz közegben egy test mozog, a közeg a testre a mozgás irányával ellentétes irányú erıt gyakorol. A közegellenállás (F) egyenesen arányos a test mozgási irányára merıleges legnagyobb keresztmetszetének területével (A), a közeg sőrőségével (ρ), a közeg és a test viszonylagos sebességének (v) négyzetével: F = k A ρ v k: alaki tényezı - Áramvonalas testek ( alacsony k) esetén a közeg áramlási rétegei hamar egyesülnek, az ellenállás mértéke kicsi. - Nem áramvonalas testek (nagy k) esetén, a test mögött a közeg nagy sebességgel áramlik, szívó erejő örvény jön létre. Képes a test mozgását jelentısen csökkenteni. Reynolds szám: v ρ d R = η R < 60 R > 60 lamináris turbulens A folyadék lemez mozgatásához szükséges erı és a rétegek közti súrlódási erı egyenlı nagyságú. h A v F Vérkeringés. A szív v munkája v 0 v Newton-féle súrlódási törvény: F =η A h Viszkozitás: Ns [ η] = = Pa s m A vér v összetétele tele I. A vér v összetétele tele II. Sejtes elemek : - VVT = érett, sejtmag nélküli vörösvérsejtek (4-5 millió/ mm³ vér, átmérıjük kb. 7-8 µm, vastagságuk -3 µm). - fehérvérsejtek ( / mm³ vér, granulociták, monociták, limfociták). - vérlemezkék ( ezer/ mm³ vér) Hematokrit (hct, φ): Normálértéke: hct = sejtek össztérfogat Vérplazma: - Kb. 90%-os viztartalom - Vízben oldott ionok (Na +, K +, Ca +,Cl -,HCO 3- ) - Szerves molekulák (glükóz, aminosavak, karbamid és húgysav) - Plazmafehérjék: albuminok globulinok fibrinogén A fibrinogénmentes vérplazmát vérsavónak (szérum) nevezzük. A vérszérum, szemben a plazmával, nem alvad meg. 3

4 Keringési rendszer Az érrendszer Szív + erek (artériák, kapillárisok, vénák) alkotta zárt rendszer. Funkció: Oxigén és tápanyag szállítása a szöveteknek. Metabolikus termékek elszállítása. Értípus Aorta Artéria Arteriola Kapilláris Venula Átmérı 5 mm 4 mm 30 µm 8 µm 0 µm Összkeresztmetszet (cm ) Teljes vérvolumen hányada (%) 5 5 Átlagos nyomás (Hgmm/kPa) 00/3 96/.7 85->30/.3->4 30->0/ 4->.3 0/.3 Áramlási sebesség (m/s) Véna Vena cava 5 mm 30 mm /0.66 0/ Fizikai paraméterek alakulása az érrendszer különbk nbözı szakaszain VÉRNYOMÁS: a vér v áramlását t fenntartó nyomásk skülönbség. Ezt a nyomáskülönbséget a szív, mint nyomópumpa hozza létre. Aorta Artériák Arteriolák Kapillárisok Vénák sebesség összkeresztmetszet nyomás Kör keresztmetszető csıben a HAGEN-POISEUILLE törvény: amelyben és 4 R π p Q = 8 η l p l 8lη 4 R π, a nyomásgradiens az áramlási ellenállás Ha a csı sugara csökken, változatlan áramlás-erısség fenntartásához nagyobb p kell. ANEURIZMA, az ördögi kör. k Példa a pozitív v visszacsatolásra. sra. Tágulat a meggyengült érszakaszon V A V V A A p p p (kontinuitási (Bernoulli A >A V < V p > p törvény) egyenlet) A növekszik v csökken p növekszik Kontinuitási egyenlet v A = konstans Bernoulli törvény Pozitiv visszacsatolás p + ρ v = konstans A szívizom téglalap alakú sejtek (0 µm X 00 µm) Általában centrális mag Harántcsíkolat Kontraktilitásért felelıs fehérjék (aktin & miozin) Szarkomer (mőködési egység) Vég a véghez kapcsolat a sejtek között (elektromos szinapszis) -> gyors terjedése az akciós potenciálnak sejtrıl sejtre ingerelhetıség: pacemaker funkció, automácia ( vázizom - idegek) 4

5 Kis- és s nagyvérk rkör A szívciklus Kisvérkör: Szív-tüdı (Jobb kamra tüdı bal pitvar) O felvétele a tüdıben Alacsony nyomás Systole (kontrakció) Isovolumetrikus kontrakció Ejekció 0.3 s Nagyvérkör: Szív-test (bal kamra test jobb pitvar) O leadás a periférián Magas nyomás Diastole (relaxáció) Isovolumetrikus relaxáció kamrai feltöltıdés diastasis 0.5 s 0.8 s (frekvencia:7/min.) Nyomás térfogat diagram A szív v munkája Aorta billentyők zárása 0 Hgmm = 6 kpa Nyomás (kpa) szisztolés ejekció Aorta billentyő nyitása Térfogati munka/statikus komponens = p * V Sebességi munka/dinamikus komponens = ½ m * v P=~5 kpa diasztolés izo-volumetrikus relaxáció szisztolés izo-volumetrikus kontrakció A szív munkája = [(p * V) + ½ m * v ] ~ 0 Hgmm = - kpa 80 diasztolés feltöltıdés 40 Térfogat (ml) V=40-80=60ml A szív munkája = 5x0 3 N/m * 60x0-6 m 3 + ½ 0.07kg * (0.5 m/s) = = ~ 0.9 Joule Elvégzett munka = (5*0 3 ) Pa x (60*0-6 )m 3 = 0.9 J = 900 mj (/összehúzódás) A térfogati munka dominál, a sebességi munka elenyészô. A szív v teljesítm tménye Perctérfogat: az egy perc alatt kipumpált vértérfogat. CO = HR x SV pulzustérfogat (~60-70 ml) függ: elıterhelés (preload) utóterhelés (afterload) kontraktilitás Elıterhel terhelés A szívizom összehúzódás elıtti terhelése. A szívizom sejt összehúzódás elıtti megnyúlása. Megváltozott vég-diasztolés nyomás és térfogat idézi elı. Perctérfogat (l/perc) (normál érték ~5 l/perc) Szívfrekvencia (~70-80/perc.) elıterhelés szarkomer hossz 5

6 Szarkomer hossz nyomás összefüggés Szarkomer hossz izometrikus nyomás elıterhelés szarkomer hossz Szarkomer hossz nyomás? Aktin Miozin Gordon AM, Huxley AF, Julian FJ. The variation in isometric tension with sarcomere length in vertebrate muscle fibres. J Physiol. 966 May;84():70-9. Erı felépülés s az izomösszeh sszehúzódás során Eredı erı Frank-Starling törvény A nagyobb vénás beáramlás (preload) következtében növekszik a kontrakciók ereje és a pulzus térfogat. Passzív erı Erı Aktív erı erı Izom hossz Izom hossz Perctérfogat rfogat meghatároz rozás Nem-invazív nyelıcsövön keresztüli (transzözofageális) echokardiográfia D echokardiográfia (Doppler UH) MRI Artériás pulzuskontúr analízis (nyomáshullám jellemzése) Invazív Fick-elvén mőködı Higításos módszer Egy szerven az egy perc alatt átáramló vér mennyisége. Fick-elv I. M Q = V A Egy szerv által egy perc alatt a vérhez adott anyag móljainak a száma. A vénás és artériás koncentrációja az anyagnak. Egy olyan szerv vérátáramlásának mérése mely a vérbıl kivon vagy hozzáad valamilyen anyagot. 6

7 Fick-elv II. Q = pulmonáris vérátáramlás A tüdı oxigént ad le és széndioxidot vesz fel a vérbıl V: 00 ml/l (oxigén cc. a pulmonáris vénában) A: 50 ml/l (oxigén cc. a pulmonáris artériában) M: 50 ml/perc (a tüdı által egy perc alatt felvett oxigén mennyisége Q (perctérfogat): 50/(00-50) = 5 l/perc Hátrányok: A gázok pontos összegyőjtése nehéz (szivárgás) Oxigénnel dúsított levegı hátrányai idıben változhat az oxigén mennyisége kis koncentráció különbségek meghatározása nehéz, magas O cc. esetén A vér oxigéntartalmát kell meghatározni: centrális katéter használata. Pontos módszer, de a rutin klinikai használatban nem praktikus. Pulzustérfogat (SV) meghatározása Fick-elv alapján a. Egy légvétel alatt a tüdın át bejuttatott O mennyisége egyenlı az ugyanennyi idı alatt a tüdın átáramló vér O -dúsításra használt O mennyiségével. b. Belégzett levegıben % O. Kilégzett levegıben 6% O. Különbség 5% c. Mivel egy légvétel térfogata (átl.) 500 ml, 500*0,05=5 ml abszorbeálódott az átáramló vérben. d. Artériás vér O tartalma 0%, a vénásé %, a különbség 8%. Azaz, az egy légvétel alatt a tüdın átáramló vértérfogat (x) 8%-a 5 ml, azaz x=3 ml. e. Mivel egy légvételre átl. 4 szívciklus esik, a pulzustérfogat 3/4=78 ml. Hígításos módszerm Festék hígítás Ismert mennyiségő festék (Evans-kék. Cardio-green, lítium) bejuttatása a pulmonáris artériába, majd a festék koncentrációjának mérése perifériásan. Perctérfogat kiszámolható a bejuttatott anyagmennyiség, a görbe alatti terület és az eltelt idı segítségével (rövid idıtartam magas perctérfogat). Perctérfogat rfogat mérés m termodilúci ciós módszerrel Centrálvénás katéter beinjektált fiz. só hımérséklet szenzora hım. szenzor vezetéke PICCO monitor cc. Termodilúció Kis mennyiségő hideg sóoldat (5-0 ml) bejuttatása a pulmonáris artériába helyezett katéteren keresztül. A hımérsékletváltozás detektálása egy távoli termisztor segítségével. (pl. PiCCO Monitoring: Pulse Contour Cardiac Output) idı folyadék bólus hımérséklet szenzora artériás termodilúciós katéter nyomás transzducer Köszönöm a figyelmet! 7