Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy
Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Prof. MUDr. Jozef Rosina, Ph.D., MBA, doc. Ing. Jana Vránová, CSc., prof. RNDr. Hana Kolářová, CSc.

ZÁKLADY LÉKAŘSKÉ BIOFYZIKY
pro studenty lékařských fakult

Hlavní autor/editor:
Prof. MUDr. Jozef Rosina, Ph.D., MBA

Kolektiv autorů:
Prof. MUDr. Jozef Rosina, Ph.D., MBA – Fakulta biomedicínského inženýrství, České vysoké učení technické v Praze, Kladno
Ústav lékařské biofyziky a lékařské informatiky, 3. lékařská fakulta Univerzity Karlovy v Praze
Doc. Ing. Jana Vránová, CSc. – Ústav lékařské biofyziky a lékařské informatiky, 3. lékařská fakulta Univerzity Karlovy v Praze
Prof. RNDr. Hana Kolářová, CSc. – Ústav lékařské biofyziky, Ústav molekulární a translační medicíny, Lékařská fakulta Univerzity Palackého v Olomouci

Recenze:
prof. RNDr. Evžen Amler, CSc.

Vydání odborné knihy schválila Vědecká redakce nakladatelství Grada Publishing, a.s.

© Grada Publishing, a.s., 2022
Cover Photo © depositphoto, 2022
Vydala Grada Publishing, a.s.
U Průhonu 22, Praha 7
jako svou 8610. publikaci
Odpovědná redaktorka Mgr. Helena Vorlová
Sazba, zlom Josef Lutka

Obrázky 3.1, 3.2, 5.1, 14.11 a 14.15 dle podkladů autorů překreslila Miloslava Krédlová; obr. 12.12 je převzatý z publikace Bulíková T. EKG pro záchranáře nekardiology. Grada Publishing 2015 a obr. 21.6 z publikace Kittnar O, a kol. Přehled lékařské fyziologie. Grada Publishing 2020. Ostatní obrázky dodali autoři.
Počet stran 312 + 8 stran barevné přílohy
Praha 2022

Publikace vznikla za podpory projektu Inženýrské aplikace fyziky mikrosvěta, reg. č. CZ.02.1.01/ 0.0/0.0/16_019/0000766 financovaného z EFRR.
The work was supported from European Regional Development Fund-Project Engineering applications of microworld physics“ (No. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000766).

Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod a.s.

ISBN 978-80-271-1645-4 (ePub)
ISBN 978-80-271-2812-9 (pdf)
ISBN 978-80-271-2574-6 (print)

Úvod

Vývoj současného zdravotnictví je úzce spjat s vývojem přírodních věd, především biologie, fyziky a chemie. Právě na rozhraní fyzikálních a biologických věd vznikla jedna z mezioborových vědních disciplín – biofyzika. Součásti biofyziky je i lékařská biofyzika, která studuje základní mechanismy působení různých fyzikálních faktorů na zdraví člověka, soustřeďuje svůj zájem na fyziologické a patologické projevy organismu a s tím související principy diagnostiky a terapie.

První vydání vysokoškolské učebnice lékařské biofyziky, kterou držíte v rukou, je napsáno především pro studující magisterského programu všeobecné lékařství.

Na základě dlouholetých zkušeností všech autorů byl text nové učebnice rozšířen a připraven tak, aby lépe a detailněji vysvětlil témata, která jsou pro studenty obtížná, a aby podrobněji popsal principy fungování těch přístrojových diagnostických a terapeutických metod, které jsou pro studenty hůře pochopitelné.

Jednotlivé kapitoly podávají dostatečný obecný výklad základních mechanismů působení různých fyzikálních dějů na živý organismus. Jsou napsány jazykem, který umožňuje pochopit učivo studentům s různým typem středoškolského vzdělání. Rozšířený text vysokoškolské učebnice prohlubuje obecné formulace učiva základních kapitol či zdůrazňuje medicínské aplikace. Pro studující se zájmem o lepší pochopení napsaného textu je součástí každé kapitoly i základní matematický aparát popisovaných fyzikálních dějů.

Předkládaná učebnice má za cíl pomoci studentům lékařských fakult lépe pochopit aplikace lékařské biofyziky pro jejich budoucí povolání v obecné rovině a také na mnoha konkrétních příkladech a fyzikálních úlohách.

Praha 2022

prof. MUDr. Jozef Rosina, Ph.D., MBA,

doc. Ing. Jana Vránová, CSc.

a prof. RNDr. Hana Kolářová, CSc.

1Stavba hmoty, síly v přírodě

1.1Elementární částice hmoty

Elementární částice hmoty (protony, neutrony, elektrony) jsou stavebními kameny všech atomů (tab. 1.1). Atomy jsou základními stavebními kameny hmoty, jsou to nejmenší částice, na které lze hmotu rozložit chemickou cestou, definují vlastnosti daného chemického prvku. Všechny atomy (průměr atomu je řádově 10–10 m) se skládají z atomového jádra a elektronového obalu. Elektronový obal je tvořen záporně nabitými elektrony a je odpovědný za chemické a spektrální vlastnosti atomu. Atomové jádro (průměr atomového jádra se pohybuje řádově od hodnoty 1,6 ⋅ 10–15 m u vodíku až po 15 ⋅ 10–15 m u nejtěžších atomů) nese odpovědnost za fyzikální vlastnosti látek, je složené z protonů a neutronů (rozměr v rozsahu 10–14 až 10–15 m). Je v něm soustředěna téměř veškerá hmotnost atomu (to proto, že hmotnost protonu nebo neutronu je přibližně 1836krát větší než hmotnost elektronu) a nese kladný elektrický náboj. Protonové číslo Z (dříve atomové číslo) udává počet protonů v jádře atomu a rozhoduje o zařazení prvku v periodické soustavě prvků. Počet protonů v jádře je stejný jako počet elektronů v obalu, a proto se atom jeví navenek jako elektricky neutrální. Neutronové číslo N udává počet neutronů v jádře atomu. Celkový počet nukleonů (součet protonů a neutronů) v jádře udává nukleonové číslo A (dříve hmotnostní číslo) a je součtem čísla protonového a neutronového. Platí tedy:

Tab. 1.1 Základní charakteristiky částic atomu

Částice

Symbol

Hmotnost

(kg)

Relativní hmotnost

Elementární náboj

proton

p (p+)

1,6725 ⋅ 10–27

1,0072

+1,6 ⋅ 10–19 C

(coulomb)

neutron

n (n0)

1,6748 ⋅ 10–27

1,0086

bez náboje

elektron

e (e–)

9,1091 ⋅ 10–31

1/1836

–1,6 ⋅ 10–19 C

Podle současné fyziky elementárních částic se protony, neutrony i další hadrony (částice hmoty, které jsou tvořeny dvěma nebo třemi kvarky) skládají z kvarků, nejmenších dosud známých elementárních částic. Podle současné teorie existuje šest typů kvarků, které se rozlišují tzv. „vůněmi“ (flavors). Každý z kvarků má i jinou hmotnost. Prvními objevenými byly kvarky „u“ (up – horní, také protonový) a „d“ (down – dolní, také neutronový). Nesou neceločíselný elektrický náboj, kvark „u“ má náboj +2/3, kvark „d“ nese náboj –1/3. Elementární částice mají přitom náboj celočíselný. To je možné proto, že proton je složený ze dvou kvarků „u“ a jednoho kvarku „d“ (+2/3+2/3–1/3 = 1). Neutron se skládá ze dvou kvarků „d“ a jednoho kvarku „u“ (–1/3–1/3+2/3 = 0). Rozměr kvarku je přibližně 10–18 m. Vzájemné silové působení mezi kvarky je zprostředkováváno hypotetickými částicemi, zvanými gluony.

Přehled všech dosud známých elementárních částic je uveden v tabulce 1.2.

Tab. 1.2 Členění elementárních částic

Částice

Charakteristika

fotony

klidová hmotnost je rovná nule a spinové číslo je rovné jedničce

leptony

(neutrina, elektrony, miony) klidová hmotnost je malá – téměř nulová v případě neutrina a antineutrina, spinové číslo je rovné jedné polovině

mezony

(piony, kaony) klidová hmotnost je vyšší než u mionů, ale nižší než u protonů, spinové číslo je rovné nule

baryony

(nukleony – proton a neutron, hyperony) relativně velká klidová hmotnost, spinové číslo je rovné jedné polovině, v případě hyperonu třem polovinám

Elementární částice, které mají neceločíselné spinové číslo, označujeme souborně jako fermiony. Tyto částice dodržují Pauliho vylučovací systém (viz níže). Částice se spinovým číslem rovným nule nebo celému číslu jsou označovány jako bosony. Více bosonů se může nacházet ve stejném kvantovém stavu, tj. bosony nedodržují Pauliho vylučovací systém, co může být důvodem, proč obvykle tvoří nestabilní struktury.

Kvarky
Kvarky lze dle fyzikálních vlastností uspořádat do tří párů: u/d (z anglického up/down), c/s (charm/strange, pro tento pár se používá i české pojmenováni půvabný/podivný) a t/b (top (nebo truth)/bottom (nebo beauty) – česky horní (nebo pravdivý/spodní nebo krásný). Ke každému kvarku existuje odpovídající antikvark. Kvarky „u“, „c“ a „t“ nesou neceločíselný náboj +2/3 a kvarky „d“, „s“ a „b“ –1/3. Každý ze šesti „vůní“ kvarků může dále existovat ve třech kvantových stavech – barvách (red – červená, blue – modrá a green – zelená). Mezi kvarky vzniká silové pole, jehož kvantem je vyměňovaná virtuální částice – gluon. Toto silové působení je velmi složité, protože výsledný hadron musí zůstat „bezbarvý“. K tomu může dojít pouze u „bezbarvé“ kombinace tři kvarků (baryony), u páru kvark – antikvark (mezony) a také při vyšších kombinacích pěti kvarků, které také splňují podmínku „bezbarevnosti“. Kvark nemůže existovat volný, ale pouze ve vázaném stavu v hadronech („uvěznění“ kvarků).

Co je Higgsův boson?
Higgsův boson je částice, která je projevem tzv. Higgsova pole. Zkoumání existence Higgsova bosonu je jednou z priorit dnešní fyziky. Důkaz o jeho existenci je klíčovým pro doplnění našich poznatků o podstatě fyzikálních sil. Nalezení Higgsova bosonu je posledním chybějícím článkem v takzvaném základním modelu částicové fyziky. Kdyby se Higgsův boson nepodařilo objevit (nebo by měl nějakou nečekanou podobu), znamenalo by to velké potíže pro dnes široce přijímané základní fyzikální teorie. Protože ze standardního modelu neplyne, jakou by měl mít hmotnost, fyzikové se snaží urychlovat proudy protonů až k rychlosti světla a nechávají je srážet. Doufají, že při takové kolizi by Higgsův boson mohl vzniknout. Jeho existence by sice byla kratičká, ale měl by být zaznamenán a na grafech se projevit špičkou, protože má mít vysokou hmotnost, po experimentech odhadovanou na 126 gigaelektronvoltů (GeV). To je 130krát více než mají protony v jádrech atomů. GeV není sice jednotka hmotnosti, ale ve fyzikální konvenci se používá jako jednotka hmotnosti u fyzikálních částic. Odpovídá zhruba hmotnosti jednoho protonu. Higgsovu bosonu se občas říká božská částice, protože bez něj by neměly mít ostatní částice hmotnost, tudíž by se pohybovaly rychlostí světla a nevznikaly by z nich atomy.

1.2Atomové jádro

První model atomu, tzv. pudingový model, představil v roce 1904 objevitel elektronu J. J. Thomson. Podle jeho představy je atom kladně nabitá velmi malá koule, uvnitř které jsou rovnoměrně rozptýleny záporně nabité elektrony podobně jako rozinky v pudingu. Počet elektronů je takový, že kladné a záporné náboje se navzájem vyruší a atom se chová navenek jako elektricky neutrální.

Ernest Rutherford po mnoha experimentech své vědecké skupiny představil v roce 1913 planetární model atomu, který má těžké kladné jádro, kolem něhož obíhají záporné elektrony po kruhových drahách. Poloměr drah není v tomto modelu určen, může být libovolný. Rutherford však vycházel z klasické fyziky, podle které by kroužící elektron neustále vyzařoval energii a postupně by klesal k jádru, až by v něm zanikl.

Bohrův model (1913) je zdokonalením Rutherfordova modelu – aby Bohr odstranil hlavní nedostatky Rutherfordova modelu, musel postulovat platnost tzv. kvantovací podmínky – vychází z Planckovy kvantové teorie.

Dnes platí kvantově-mechanický (také vlnově-mechanický) model struktury atomu, který vychází z kvantové mechaniky, tj., elektronům i jiným částicím v atomu přisuzuje korpuskulárně-vlnové vlastnosti, tzn., že každá částice má i vlnové vlastnosti.

Současné experimenty ukazují, že atomové jádro není ostře ohraničeno, ale že se hustota jaderné hmoty mění. Jak bylo popsáno výše, jádra všech atomů se skládají z elementárních jaderných částic – protonů a neutronů, které označujeme jako nukleony. Aby bylo schopno jádro existence (kladně nabité protony se navzájem odpuzují), působí v něm na elementární jaderné částice specifické přitažlivé síly – jaderné síly (tzv. silná interakce). Poloměr jádra se definuje jako poloměr oblasti, ve které působí tyto jaderné síly.

Pro určení hmotnosti jader můžeme užít hmotnostní spektrometrii (mass spectrometry). Tato metoda je založená na interakci iontů a polí (využívá elektrické a magnetické pole k dělení iontů podle jejich hmotnosti a náboje), pracuje s dělením podle poměru m/Q, kde m je hmotnost a Q je náboj fragmentu. Principem je, že kladně nabité ionty (atomy s odebraným elektronem) o prakticky stejné energii vstupují jako svazek štěrbinou do homogenního magnetického pole s vektorem magnetické indukce kolmým ke směru svazku. Trajektorie iontů s menší hmotností je více zakřivená a tyto ionty dopadnou např. na fotografické desce do jiného místa než ionty těžší. Technika hmotnostní spektrometrie má jak kvalitativní, tak i kvantitativní využití.

Postup hmotnostní spektrometrie
Vzorek je umístěn do přístroje, kde podstoupí odpařování, vzniká vzorek v plynné fázi. Složky vzorku jsou ionizovány, což má za následek vytvoření nabitých částic – iontů. Ionty jsou odděleny podle m/Q poměru v analyzátoru elektromagnetického pole a jsou detekovány obvykle kvantitativní metodou. Získaná data se počítačově zpracují.
Princip hmotnostní spektroskopie a výstup měření:

1.tvorba iontů (ionizace)

2.filtrace iontů (hmotnostní analýza)

3.měření četnosti iontů v závislosti na hodnotě m/Q

4.hmotnostní spektrum – osa x přísluší hodnotě m/Q; osa y přísluší četnosti iontů (intenzitě signálu)

Hmotnostní spektrometry (obr. 1.1) se skládají ze tří modulů:
Prvním modulem je zdroj iontů, ve kterém lze převést molekuly plynu na ionty. Druhým je hmotnostní analyzátor, který třídí ionty podle jejich hmotnosti s použitím elektromagnetických polí. Třetím je detektor, který měří hodnotu indikátoru množství, a tak poskytuje data pro výpočet množství každého iontu v reálném čase.

Obr. 1.1 Hmotnostní spektrometr

Využití hmotnostní spektrometrie v medicíně

Hmotnostní spektrometrii (MS) lze v současné době využívat v klinické praxi k diagnostice chorob, v biomedicínském výzkumu, ve vývoji a výrobě léčiv, v toxikologii, ale i v rámci zlepšování kvality lidského života, například ke kontrole složení a kvality životního prostředí, ale i kvality výrobků, a to především v potravinářském průmyslu, například při identifikaci alergenů v potravinách. Jednou z hlavních příčin alergií, které postihují velkou část populace, jsou alergeny obsažené v potravě. Pomocí MS lze alergeny identifikovat. Dále lze tuto metodu využít k diagnostice řady metabolických onemocnění a k identifikaci infekčních agens. Další rozsáhlou oblastí využití je analýza toxických látek (pesticidů, bakteriálních toxinů, kontaminantů atd.), léčiv a drog v biologických tekutinách, v potravinách a životním prostředí. Výhodou je možnost stanovení až několika set analytů v jednom vzorku. V různých biologických vzorcích, nejčastěji v moči a krvi, lze identifikovat abnormality v profilech metabolitů a malých molekul, jako jsou organické kyseliny, puriny, pyrimidiny, acylkarnitiny, oligosacharidy a další.

Proteomická MS analýza nalezla rutinní uplatnění i v mikrobiologii především v rychlé identifikaci bakteriálních kmenů. Po porovnání spekter se spektry již obsaženými v databázi je hmotnostnímu spektru přiřazena identita.

Hmotnostní spektrometrie umožňuje analyzovat bioaktivní peptidy a malé regulační molekuly, a tedy stanovovat látky s velmi nízkými plazmatickými koncentracemi, jako jsou biogenní peptidy a hormony. Z léčiv jsou těmito metodami stanovovány koncentrace antibiotik, antiepileptik, kardiovaskulárních léčiv, analgetik, protinádorových léčiv a dalších. Velký význam má MS při objasňování mechanismu účinku léčiv, při studiu etiologie onemocnění a velmi přispívají k plánování a optimalizaci cílené terapie.

V případě infekčních, kardiovaskulárních a onkologických onemocnění dochází v organismu k významným regulačním a metabolickým změnám, které jsou spojeny se změnou koncentrace vybraných molekul, tzv. biomarkerů, které jsou specifické pro dané onemocnění a jsou významné nejen v diagnostice, ale i ve stanovení prognózy, pro časnou detekci progrese onemocnění, ale rovněž pro hodnocení odpovědi na léčbu. Kvalita a interpretace výsledků hmotnostně spektrometrického měření při analýze biomarkerů je ovlivněna kvalitou odběru a zpracováním vzorku. Pro interpretací výsledků se využívají metody bioinformatiky.

Hmotnostní spektrometrie je využívaná také pro analýzu DNA, různých proteinů a metabolitů, ale i lipidů, glykoproteinů, glykolipidů a sacharidů v souvislosti s analýzou biologických vzorků pro klinickou diagnostiku.

V posledních několika letech se hmotnostní spektrometrie zapojuje do onkologického výzkumu. Zhoubné nádory představují celosvětově rozšířené onemocnění, které každoročně postihne více než 10 milionů lidí. Cílem v klinické praxi je prevence, včasná diagnostika a následně účinná terapie. Je snahou najít specifický biomarker ve vzorku za účelem potvrzení onkologického onemocnění. Nejúčinnější metodou je 2D hmotnostně-spektrometrické zobrazení (mass spectrometry imaging – MSI). Metoda je založena na porovnávání nenádorových (zdravých) a nádorových (patologicky změněných) tělních vzorků. Získané informace jsou významné v diagnostice, ale i v monitorování úspěšnosti protinádorové terapie. Novou MS metodou hmotnostní spektrometrie je DESI (desorpční elektrosprej ionizace), která umožňuje vysoce selektivní analýzu nádorových markerů ve vzorcích intaktní tkáně. Pomocí DESI-MS je možné analyzovat distribuci markerů v histopatologických nálezech a provádět analýzy bez předchozí úpravy vzorku. DESI je kombinací klasické ionizace elektrosprejem a desorpční ionizační techniky, které se v MS běžně využívají. Uplatnění hmotnostní spektrometrie v diagnostice nádorových onemocnění je však v kombinaci s metodami používanými v této oblasti (např. imunohistochemické vyšetření tkáně).

1.3Elektronový obal

Přestože elektronový obal představuje jen přibližně jednu setinu hmotnosti celého atomu, má naprosto zásadní význam pro chemické vlastnosti a chování prvků. Elektrony nacházející se ve valenční sféře elektronového obalu se účastní chemických vazeb a jejich energie rozhoduje o tom, jak snadné bude vytvořit z atomu iont.

Elektronový obal určuje celkový rozměr atomu. V elektronovém obalu atomu je počet elektronů se záporným nábojem stejný jako počet protonů v jádře, proto celkový záporný náboj elektronového obalu atomu kompenzuje kladný náboj atomového jádra. Výsledkem je, že atom je celkově elektricky neutrální.

Podle principu minimální energie anebo také výstavbového principu se uspořádání elektronů řídí obecnou zásadou, že libovolný systém (v daném případě elektronový obal) je stabilní, je-li jeho celková energie minimální. U atomu v základním stavu jsou tedy zaplněny energetické hladiny s nejnižší energií, hladiny se obsazují postupně tak, že každý další elektron obsadí do té doby volnou hladinu s nejmenší energií. Energie elektronu roste se vzdáleností od jádra. Elektrony se ve skutečnosti nepohybují kolem jádra po přesně daných drahách (kružnicích nebo elipsách), ale jejich umístění v atomovém obalu je možné určit pouze s určitou mírou pravděpodobnosti.

Vlastnosti každého konkrétního elektronu nacházejícího se v elektronovém obalu jsou jednoznačně určeny čtyřmi kvantovými čísly (hlavní popisuje energetickou hladinu, na které se elektron nachází; vedlejší určuje tvar a symetrii atomového orbitalu; magnetické určuje orientaci jednotlivých orbitalů v prostoru; spinové popisuje tzv. vnitřní moment hybnosti elektronu).

Z hlediska kvantové fyziky existuje omezení pro počet elektronů v určitém stacionárním stavu, je to tzv. Pauliho vylučovací princip. Toto omezující pravidlo říká, že dva elektrony se nemohou nacházet ve stejném kvantovém stavu, ve kterém by měly všechna čtyři kvantová čísla stejná, tj., musí se lišit hodnotou alespoň jednoho kvantového čísla. Pauliho princip vede k tomu, že orbital může být obsazen nejvíce dvěma elektrony, které musí mít opačnou orientaci spinu.

Při absorpci energie (tepelné, světelné, energie ionizujícího záření apod.) elektronem může tento přejít na hladinu s vyšší energií, a atom se tak dostane do excitovaného stavu. Vzhledem k výše popsané obecné zásadě stability atomu charakterizované minimální energií přechází elektron téměř okamžitě na hladinu s nižší energií, dochází k deexcitaci elektronu. Při tomto přechodu musí dojít k vyzáření energie ve formě fotonů elektromagnetického vlnění různých vlnových délek.

Pokud je energie interagující s atomem dostatečně velká, může dojít po její absorpci dokonce k uvolnění elektronu z elektronového obalu. Z původně elektricky neutrálního atomu vzniká kladně nabitá částice – kationt. Tomuto procesu říkáme ionizace.

Tab. 1.3 Rozdělení disperzních systémů

Disperzní
prostředí

Disperzní
podíl

Disperze
hrubé
velikost částic

1 µm až 1 mm

Disperze koloidní
velikost částic

1 nm až 1 µm

Disperze
analytické
velikost částic

do 1 nm

plyn

plyn

není

není

směsi plynů

kapalina

déšť, mlha, aerosoly

aerosoly

páry kapaliny v plynu

pevná látka

kouř, dým, aerosoly

aerosoly

páry tuhé látky v plynu

kapalina

plyn

bubliny, pěny

pěny

roztoky plynů v kapalinách

kapalina

emulze (např. mléko)

lyozoly

směsi kapalin

pevná látka

suspenze

lyozoly, koloidní roztoky

pravé roztoky (glukóza ve vodě)

pevná

látka

plyn

bubliny plynů v pevných látkách

tuhé pěny

plyny rozpuštěné v pevných látkách

kapalina

pevné látky s uzavřenými kapičkami

tuhé pěny

krystalická voda

pevná látka

tuhé směsi

tuhé soli

tuhé roztoky

1.4Interakce v přírodě

V přírodě existují čtyři základní druhy interakcí: silná interakce, slabá interakce, elektromagnetická interakce a gravitační interakce.

Silná interakce představuje základní interakci mezi částicemi jádra, tj. mezi protony a neutrony, a také mezi kvarky – drží pohromadě kvarky uvnitř nukleonů. Je to nejsilnější známá interakce, která umožňuje existenci jader. Je dostatečně silná, aby překonala vzájemné elektromagnetické odpuzování kladně nabitých protonů. Silnou interakci zprostředkovávají hypotetické částice gluony (glue = lepidlo), které jsou nositeli silového působení mezi kvarky (viz níže) a piony (piony jsou tvořeny dvěma kvarky – vznikají různými kombinacemi kvarků up a down), které drží pohromadě neutrony a protony uvnitř jader atomů. Gluony i piony jsou tzv. částice přeměny. Dosah působení silné interakce je velice krátký (řádově 10–14 m), tzn., že tato interakce se uplatňuje pouze v jádře.

Slabá interakce je zodpovědná za některé atomární jevy, např. podílí se na přeměně β. Typickým příkladem slabé interakce je proto přeměna jaderného neutronu v proton za vyzáření elektronu a antineutrina, nebo jaderného protonu v neutron za vyzáření pozitronu a neutrina. Má také velmi malý dosah, řádově 10–18 m. Je druhou nejslabší interakcí. Slabá interakce je přenášena bosony ±W. Přeměnu beta (β–; β+) můžeme vyjádřit následujícím vztahy:

Ke slabým interakcím patří i dvě základní intermolekulární, tj. mezimolekulární interakce, a to van der Waalsovy síly a Londonova disperzní síla.

Elektromagnetická interakce se manifestuje silovým působením mezi elektrickým a magnetickým polem, která interagují spolu navzájem, ale také silově působí na elektricky nabitá i nenabitá tělesa, na magnetická tělesa atd. Jsou to síly nekonečného dosahu.

Elektromagnetická interakce působí také mezi elektricky nabitými částicemi jádra a obalu. Je druhou nejsilnější interakcí. Tato interakce fixuje velikost atomů, strukturu pevné látky. Elektromagnetická interakce tedy vytváří objem objektů. Většina sil z běžného života (třecí síly, odporové síly apod.) jsou projevem právě elektromagnetické interakce. Nositelem elektromagnetické interakce je virtuální částice – foton. Velikost síly interakce mezi nabitými částicemi v atomu závisí na poloze a pohybu nabitých částic.

Gravitační interakce je ze všech typů interakcí mezi částicemi nejslabší, ale působí na všechny částice ve vesmíru. Projevuje se především u těles velké hmotnosti a její silové působení je popsáno Newtonovým gravitačním zákonem: mezi dvěma hmotnými body působí stejně velké gravitační síly Fg a –Fg navzájem opačného směru. Velikost gravitační síly Fg je přímo úměrná součinu hmotnosti m1, m2 hmotných bodů a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti r2.

Velikost gravitační síly je tedy dána vztahem:

kde konstanta úměrnosti κ se nazývá gravitační konstanta, pro kterou platí:

κ = 6,67 · 10–11 · N · m2 · kg–2.

Gravitační síla má nekonečný dosah stejně jako síla elektromagnetická a její velikost klesá s druhou mocninou vzdálenosti. Gravitační síly míří ve směru přímky, která spojuje oba hmotné body ve vzájemné gravitační interakci. Je zřejmé, že gravitační pole zprostředkovává silové působení mezi tělesy, aniž by docházelo k jejich bezprostřednímu styku. Není známa žádná částice ani jakékoliv hmotné těleso, které by nepodléhalo gravitační interakci. Nositelem gravitační síly jsou zatím pouze hypotetické gravitony.

Gravitační působení chápe Einsteinova obecná relativita z roku 1916 za pomoci zakřivení času a prostoru. Tělesa zakřivují svět kolem sebe a v tomto zakřiveném světě se pohybují po nejrovnějších možných drahách. Gravitační interakcí se zdůvodňují fenomény, jako je struktura galaxií, trajektorie planet (Země letí kolem Slunce po elipse proto, že jde o nejrovnější možnou dráhu v časoprostoru zakřiveném přítomností Slunce), padání předmětů, ale i proč nemůžeme zvednout těžké předměty.

Poté, co ve 20. století zasáhla do fyziky kvantová fyzika, byly postupně popsány ostatní tři interakce v přírodě.

V současnosti se vědci snaží o spojení teorie obecné relativity a kvantové mechaniky do teorie kvantové gravitace. Podle této teorie by měly gravitaci přenášet částice gravitony, ty ale dosud nebyly pozorovány. Jedním z úkolů experimentů prováděných ve velkém hadronovém urychlovači částic v CERNu je potvrdit existenci gravitonů.
CERN – mezinárodní evropská vědecká instituce (oficiální název Evropská organizace pro jaderný výzkum) je nejrozsáhlejší výzkumné centrum fyziky částic na světě. Za den zrodu organizace CERN lze považovat 29. září 1954. Zabývá se čistou vědou a hledá odpovědi na nejpřirozenější otázky: co je to hmota, jak hmota vznikla, jak jsou utvářeny složité hmotné objekty jako hvězdy, planety nebo lidští tvorové.

Mezi silovými účinky čtyř základních interakcí je obrovský nepoměr, který je závislý na vzájemné vzdálenosti interagujících objektů. Relativní poměr silového působení silné, slabé, elektromagnetické a gravitační interakce při vzdálenosti odpovídající atomovému jádru, tj. 10–15 m, můžeme číselně vyjádřit následovně 1 : 10–2; 1 : 10–5 až 10–17; 1 : 10–38 až 10–40 (uvedeny rozsah podle různých vědeckých zdrojů).

1.5Formy hmoty

Hmota je základem všeho, co nás obklopuje. Hmota se vyskytuje ve dvou základních formách: jako látka, která je tvořena z diskrétních částic s nenulovou klidovou hmotností anebo jako pole (záření). Obě formy hmoty se mohou vzájemně proměňovat a navíc lze částice látky chápat jako projevy polí, nebo naopak pole identifikovat v podobě částic. Základní vlastností hmoty je její objektivní existence a pohyb v prostoru a čase.

Pojem záření zahrnuje běžné jevy kolem nás: např. gravitační pole Země, magnetické pole, teplo, světlo, zvuk aj. Nejlépe prozkoumané je zřejmě pole elektromagnetické (jeho elementární kvanta – fotony – mají nulovou klidovou hmotnost, spinové číslo rovné jedné a ve vakuu se pohybují konstantní rychlostí rovnou rychlosti světla).

Mezi stavební částice látky řadíme fyzikální objekty malých rozměrů, např. elektrony, protony a neutrony, atomy a molekuly. Každý ví, že látka se v prostředí naší Země může vyskytovat v různých skupenstvích (pevném, kapalném, plynném a plazmatickém). Látka v pevném skupenství si za daného tlaku a teploty zachovává objem i tvar, kapalina si zachovává pouze objem a plyn přijímá tvar i objem své nádoby. Dodáme-li další tepelnou energii plynu, dojde k jeho částečné a později úplné ionizaci. Látka se stane plazmatem, jsou v ní volné nosiče náboje, čímž má toto skupenství zcela nové vlastnosti – v plazmatu jsou volné nosiče elektrického náboje; plazma vykazuje kolektivní chování, tj., jako celek reaguje na elektrická a magnetická pole a také je vytváří. Plazma je kvazineutrální, tzn., že v makroskopickém objemu je stejné množství kladných i záporných nábojů.

Látky jsou charakterizovány hmotností, elektrickým nábojem, rozměrem, tvarem, složením, vzájemným působením a při kvantovém popisu též kvantovými čísly.

Látky obecně dělíme do dvou skupin:

a)krystalické látky (charakteristické pravidelným uspořádáním atomů, molekul nebo iontů, z nichž jsou složeny; patří sem např. NaCl, diamant, kovy…), amorfní látky (periodické uspořádání částic je omezeno na vzdálenost do zhruba 10–8 m, na větších vzdálenostech je pravidelnost uspořádání porušena; patří sem sklo, pryskyřice, vosk, asfalt, pasty…), kapalné krystaly – tato skupina představuje oblast fyziky kondenzovaných soustav (kapalný krystal je stav hmoty, jehož vlastnosti jsou přechodem mezi kapalným a pevným skupenstvím, mohou téci jako kapalina, ale zároveň mají uspořádané a orientované molekuly jako krystal);

b)tekutiny – kapaliny, plyny, plazma.

1.6Disperzní systém

Disperzní systém je soustava látek, která obsahuje alespoň dvě složky nazývané fáze (chemická individua), přičemž jedna složka (disperzní podíl) je rozptýlena ve druhé složce (disperzním prostředí). Disperzním systémem je například krev, která obsahuje složku korpuskulární (krvinky) a složku tekutou (plazma), mlha je zase disperze vodních kapének (disperzní podíl je tekutá složka) ve vzduchu (disperzní prostředí je plyn).

Obsahuje-li systém dvě složky a existuje-li určitá hranice mezi částicemi tvořícími obě složky, nazývá se takový systém heterogenní. Obsahuje-li naopak dvě složky a složka tvořící disperzní podíl je rozptýlena ve složce tvořící disperzní prostředí v tak drobných částicích (atomech, molekulách), že nelze mluvit o rozhraní, nazývá se takový systém homogenní.

Suspenzí rozumíme hrubou disperzi tuhých látek v kapalném disperzním prostředí. Jejich koncentrovaným formám říkáme pasty. Emulze je disperzní systém sestávající ze dvou nemísitelných kapalin, z nichž jedna je ve formě kapiček rozptýlena ve druhé. Označení aerosol se používá pro hrubé (velikost rozptýlených částic 1 µm až 1 mm) nebo koloidní disperze (velikost rozptýlených částic 1 nm až 1 µm) tuhých látek či kapalin v plynném disperzním prostředí (tab. 1.3).

Ke vzniku emulzí dochází například v tenkém střevě člověka. Potravou přijaté tuky, které jsou ve vodě nerozpustné, jsou emulgovány dříve, než jsou napadány lipázami. Funkci emulgátorů vykonávají soli žlučových kyselin. Účinek emulgátorů spočívá v tvorbě adsorpčního filmu na povrchu kapek disperzní fáze, přičemž se částice emulgátorů orientují tak, že svou hydrofobní částí míří do nepolární složky a lyofilním zbytkem do fáze polární. Suspenze, emulze a aerosoly jsou častou formou léčebných, dezinfekčních a kosmetických preparátů. Naopak, soustavné vdechování aerosolů obsahujících křemičitany způsobuje chorobu z povolání – silikózu plic. Zdravotní nebezpečí představuje též možnost vzniku aerosolů radioaktivních izotopů, které způsobí zamoření ovzduší a případnou kontaminaci osob vdechováním a po usazení i zamoření povrchu předmětů.

1.7Transportní jevy

Transportní jevy jsou děje, které probíhají v důsledku pohybu disperzí a při nichž dochází k transportu látek. Mezi tyto jevy a základní vlastnosti, které tyto jevy ovlivňují, patří viskozita, difuze, dialýza a osmóza.

1.7.1Viskozita

Viskozitou se rozumí vnitřní tření (vznikající vzájemným silovým působením částic) – vznik brzdících sil bránících relativnímu pohybu vrstev proudící tekutiny. Na stykové ploše dvou vrstev tekutiny pohybujících se různou rychlostí se projevuje viskozita tečným napětím, jímž se snaží rychlejší vrstva urychlovat pomalejší a pomalejší naopak zpomalovat vrstvu rychlejší. Toto tečné napětí je úměrné přírůstku rychlosti dv tekutiny mezi dvěma přiléhajícími vrstvami a nepřímo úměrné vzdálenosti dx těchto vrstev. Pro tečné napětí platí následující vztah:

kde konstanta úměrnosti η se nazývá dynamická viskozita. Vyjadřuje sílu v Newtonech (N), která je zapotřebí, aby se vrstva o ploše 1 m2 posunula oproti vrstvě se stejnou plochou vzdálenou 1 m od ní o 1 m ve vodorovné rovině. Úpravou předchozího vztahu pro dynamickou viskozitu dostáváme vztah:

Dynamická viskozita charakterizuje vnitřní tření kapaliny a závisí především na přitažlivých silách mezi částicemi. Kapaliny s větší přitažlivou silou mezi částicemi mají větší viskozitu, větší viskozita zpomaluje pohyb kapaliny nebo těles v kapalině. Pro ideální kapalinu má viskozita nulovou hodnotu. Převrácená hodnota viskozity se nazývá tekutost.

Viskozita je jednou z nejdůležitějších vlastností, která ovlivňuje vlastnosti proudění látek. Kapalina s větším vnitřním třením teče pomaleji. Větší viskozita znamená totiž větší brzdění pohybu kapaliny nebo pohybu těles v kapalině. Rychlost pohybu molekul proudící kapaliny závisí na teplotě, s rostoucí teplotou viskozita klesá a kapalina se pohybuje rychleji. Praktický význam v medicíně má viskozita krve. Její hodnota je ovlivněna hlavně teplotou.

Kapaliny s nenulovou viskozitou se označují jako viskózní (vazké). Viskozita tělesných tekutin se většinou udává v relativních jednotkách, kdy 1 = viskozita vody. Viskozita plazmy je 2 (2krát vyšší než viskozita vody), viskozita krve je vzhledem k obsahu krvinek vyšší než u plazmy a její průměrná hodnota je kolem 4. Viskozita krve se zvyšuje při vyšším hematokritu nebo při poklesu rychlosti proudící krve. Z toho důvodu je viskozita krve v kapilárách vyšší než v arteriích (nižší rychlost proudění krve v kapilárách).
Příklad: Při teplotě 37 °C se viskozita udává v rozmezí 3,0–3,6 MPa · s pro plazmu je to 1,8 až 2,0 MPa · s. Hodnoty viskozity krve je třeba sledovat například při podávání většího množství erytrocytů (tzv. erymasy) nebo při patologickém zmnožení červených krvinek – polycytemia vera.

Význam viskozity a jejího měření v klinické praxi

Pro měření viskozity se používají tělískové, rotační, kapilární, plováčkové, výtokové a vibrační viskozimetry (obr. 1.2). Z důvodu závislosti viskozity na teplotě je nutné, aby měření viskozity probíhala při konstantní teplotě. V laboratorní praxi se viskozita séra většinou stanovuje rotačním viskozimetrem, který pracuje na principu rotace vřetena, které je ponořeno do měřící kapaliny. Výsledná viskozita je stanovena na základě odporu kapaliny vůči síle, která ji uvádí do toku. Vzorek srážlivé krve se dodává do laboratoře při udržované stálé teplotě 37 °C.

Obr. 1.2 Vibrační viskozimetr

V důsledku zvýšené viskozity krve může vzniknout hyperviskózní syndrom, neboli klinicko-laboratorní syndrom, který vzniká většinou při nadměrných hladinách imunoglobulinů nebo pokud se změní jejich fyzikálně-chemické vlastnosti. Syndrom se projevuje u nemocných například s monoklonálními gamapatiemi: mnohočetným myelomem, Waldenströmovou makroglobulinemií nebo u systémových onemocnění pojiva. Projevuje se sníženou perfuzí orgánů a při laboratorním vyšetření je potvrzena zvýšená viskozita plazmy. Léčebnou modalitou je plazmaferéza. Zvýšená viskozita krve může být způsobena zmnožením krevních elementů například u myeloproliferativních onemocnění (polycytemia vera), blastické fáze chronické myeloidní leukemie, hyperleukocytózy u akutních myeloidních leukemií nebo u syndromu leukostázy. Viskozita má největší vliv na průtok krve mikrocirkulací, tedy vlásečnicemi. Organismus se snaží kompenzovat snížený průtok krve v důsledku její vyšší viskozity zvýšením krevního tlaku. V případě vysoké viskozity dochází ke snížené oxygenaci tkání v důsledku stázy hyperviskózní krve a k ischemii orgánů. Normální hodnoty viskozity séra se pohybují v rozmezí od 1,4–1,9 MPa · s a příznaky hyperviskózního syndromu se obvykle projevují při hodnotách nad 4–6 MPa · s.

1.7.2Difuze

Difuzi definujeme jako tepelný pohyb částic (disperzního podílu) jedné látky do druhé. Pohyb je vyvolaný koncentračním spádem (gradientem) a řídí se snahou o úplné vyrovnání koncentrace v celém objemu. Molekuly rozpuštěné látky putují z míst větší koncentrace do míst s nižší koncentrací a jev trvá do té doby, než se koncentrace disperzního podílu v celém objemu vyrovnají. Difuze je jedním z nejdůležitějších fyzikálních dějů, které umožňují pohyb látek uvnitř a vně buněk. Průběh difuze je výrazně ovlivněn teplotou látky. Protože při vyšší teplotě proces difuze probíhá rychleji, lze z toho usuzovat, že rychlost pohybu částic se zvyšuje s teplotou.

Chemickým principem difuze podle druhého termodynamického zákona je, že systém zvyšuje svou entropii neboli míru neuspořádanosti svého systému, čímž dospěje do stavu s nejnižší vnitřní energií.

Matematicky popisují difuzi Fickovy zákony. 1. Fickův zákon říká, že hustota difuzního toku j je úměrná záporně vzatému gradientu koncentrace:

Konstantou úměrnosti v této rovnici je tzv. difuzní koeficient D vyjadřující počet molů látky, které za čas 1 s projdou průřezem 1 m2 při koncentračním gradientu 1 mol/m. Příčinou toku látky jsou rozdíly v její koncentraci. Znaménko minus vyjadřuje, že difuzní tok směřuje proti koncentračnímu gradientu. Uvedený zákon se často zjednodušeně zapisuje pro jednorozměrný případ jako:

kde Δc je rozdíl molárních koncentrací na dvou blízkých místech, vzdálených od sebe Δx; jednotkou koncentračního gradientu je mol/m.

Během difuze se však snižuje gradient koncentrace, což znamená, že koncentrace nezávisí jen na prostorové souřadnici, ale také na čase. Obecně tedy platí, že difuzí se mění koncentrace v prostoru a čase. K prvnímu Fickovu zákonu musíme přidat podmínku hmotové bilance, která říká – látka mění svoje rozložení, tedy koncentraci v čase, ale její množství zůstává zachováno. Tuto skutečnost popisuje 2. Fickův zákon, který má, popisujeme-li koncentraci v jednom rozměru (lineární difuze), tvar:

1.7.3Dialýza

Dialýza je difuze malých molekul a iontů z krve přes dialyzační membránu do dialyzačního roztoku, tj. z prostředí s vyšší koncentrací do prostředí s koncentrací nižší. V medicíně se jedná o proces, který nahrazuje přirozenou funkci ledvin u pacientů s ledvinovou nedostatečností nebo ledvinovým selháním. Dialýzou jsou z těla odstraněny odpady metabolismu, zejména močovina a některé ionty (např. draslíku) a také přebytečná voda, které jsou u zdravého člověka odstraňovány pomocí ledvin do moči. Tento proces je život zachraňující výkon, bez něhož by člověk s nefunkčními ledvinami zemřel.

Známe dvě formy dialýzy:

•Hemodialýza je proces, při němž je krev pacienta vyčištěna pomocí speciálního přístroje (tzv. umělá ledvina). Frekvence a délka trvání hemodialýzy závisí na rozhodnutí nefrologa. Ten na základě zdravotního stavu pacienta stanoví, kolikrát týdně je dialýza nutná, jak dlouho potrvá a jaké jsou parametry nastavení pro konkrétní ošetření. Obvykle se tento proces opakuje 3krát týdně a trvá obvykle 4–6 hodin.
Česká legislativa nabízí pacientům od roku 2015 za určitých podmínek provádět hemodialýzu i v domácím prostředí bez asistence sestřiček nebo lékařů. Domácí hemodialýza výrazně zvyšuje kvalitu života pacientů, protože nejsou odkázáni na pravidelné návštěvy dialyzačního střediska a mohou si lépe organizovat vlastní čas.

•Druhým typem dialýzy je peritoneální dialýza, kdy se krev čistí uvnitř těla pacienta pomocí pobřišnice (peritonea). Do těla se přitom 4–5krát denně přivádí speciální roztok, který provádí čištění krve (starý roztok se přitom vždy nahradí novým).
Jako dialyzační membrány se dnes používají hlavně umělé membrány, např. z celofánu, esterů glukózy nebo z některého moderního plastu (např. Cuprophan), které mohou stimulovat imunitní systém pacienta – proto počet dialýz může zvyšovat riziko rejekce transplantátu v budoucnu. Membrána může být v dialyzátoru uspořádána buď ve formě listů, nebo velkého množství tenkých trubiček – cílem samozřejmě je, aby účinná plocha byla co největší. Po jedné straně membrány krev protéká prouděním laminárním, při kterém se erytrocyty hromadí v ose toku (v centrální části), a membrána je tak více omývána plazmou. Objemový průtok je asi 200–300 ml/min. Na opačné straně membrány protéká dialyzační roztok turbulentním prouděním v protisměru, objemový průtok je asi 500 ml/min. Tímto způsobem dosáhneme potřebného koncentračního spádu a tím i rychlé difuze toxických odpadů metabolismu a některých iontů z krve nemocného do dialyzátu. Látky, které se při dialýze nesmí z těla odstranit, musejí být přítomny i v dialyzačním roztoku. Všechny tyto látky však do roztoku přidat nelze (např. vitaminy a aminokyseliny), a tak je pacient musí nahrazovat klasickou cestou – v potravě, případně v tabletách. Dialyzační roztok naopak nesmí obsahovat jiné cizorodé látky, které by přešly opačně do krve. Proto se k míchání roztoku používá absolutně čistá voda.

K rychlému čištění nebo zahušťování (odstraňování rozpouštědla) lze místo dialýzy použít ultrafiltraci. Jde v podstatě o filtraci membránou, která nepropouští koloidy. Filtrace je urychlena podtlakem pod membránou nebo přetlakem nad membránou. Použitím různých membrán o známé propustnosti lze disperzní systém rozdělit na frakce podle velikosti částic, případně i odhadnout velikost částic. Hemofiltrace na rozdíl od dialýzy využívá konvektivní transport solutů (transport založený na proudění rozpuštěných látek) během ultrafiltrace přes dialyzační membránu. Konvektivní pohyb solutů závisí na filtračním tlaku rozpuštěných látek a vody na speciální hemofiltrační membráně.

Typy dialýzy

•Akutní hemodialýza. Akutní dialýza se používá u náhlých stavů, kde tělo pacienta není samo schopné očistit se od endogenních nebo exogenních toxických látek, objemu tekutiny nebo iontů. Mezi obecně platné principy akutní dialýzy patři především zvážení, jestli není možné zvládnout některé tyto stavy (iontové rozvraty, poruchy vnitřního prostředí) konzervativní terapií, protože dialýza je metoda, která zatěžuje organismus (kardiovaskulární, imunitní systém).

•Chronická hemodialýza se používá u pacientů, u kterých přes chronickou insuficienci ledvin došlo k renálnímu selhání, tudíž ke stavu, kdy ani při dodržení bazálních podmínek není jejich tělo schopné zbavit se přebytečných metabolitů, objemu tekutin a korigovat vnitřní prostředí (pH, ionty). Pacienti docházejí na dialýzu obvykle 3krát týdně, dialyzují se 4 až 6 hodin. Tato léčba je doživotní nebo přetrvává do transplantace ledviny.

•Peritoneální dialýza využívá velkou difuzní a filtrační plochu peritonea. Tekutina se do břicha dostává peritoneálním katétrem, který je do břišní dutiny zaveden nastálo přes břišní stěnu pod úrovní pupku. Pacient může dialyzační roztok napouštět a vypouštět do břišní dutiny sám, a to i několikrát denně (až 4krát), nebo jednou denně (obvykle v noci). Tekutina je v peritoneální dutině ponechána obvykle 6 hodin. Použitý a znečištěný dialyzační roztok se vypouští ven a místo něj se napouští nový a čistý dialyzát (pokud pacient dialyzuje vícekrát denně).

1.7.4Osmóza

Mezi živými tkáněmi existují polopropustné (semipermeabilní) membrány, které propouštějí pouze molekuly rozpouštědla (disperzního prostředí – nejčastěji vody), nepropouštějí však molekuly látek, které jsou ve vodě rozpuštěné (disperzní podíl). Snaha po vyrovnání koncentrací roztoku na obou stranách membrány se tak může realizovat pouze průnikem rozpouštědla z roztoku s nižší koncentrací do roztoku s vyšší koncentrací rozpuštěných látek. To vede ke zřeďování více koncentrovaného roztoku. Koncentrované látky si rozpouštědlo přitáhnou k sobě, a to osmotickou sílou, která je schopná překonat gravitační sílu. Tomuto samovolnému zřeďování říkáme osmóza.

Roztok o nižším osmotickém tlaku se nazývá hypotonický, o vyšším osmotickém tlaku hypertonický. Rozpouštědlo proudí vždy z roztoku hypotonického do hypertonického. Roztoky o stejném osmotickém tlaku se nazývají izotonické nebo izoosmotické. Mezi takovými roztoky k osmóze nedochází. Velikost osmotického tlaku Π udává van’t Hoffova rovnice:

kde c je molární koncentrace rozpuštěné látky, R molární plynová konstanta: R = 8,31 J · K–1 · mol–1 a T teplota.

Každá buňka reaguje změnou objemu na prostředí, do kterého je umístěna. Například erytrocyt přemístěný ze svého obvyklého prostředí do hypotonického prostředí začne přijímat vodu a může dojít až k rozpadu erytrocytu (hemolýze). Naopak v hypertonickém prostředí proudí voda z erytrocytu ven a červená krvinka se svrašťuje. Za normálních okolností jsou tkáně i tělní tekutiny v osmotické rovnováze, neboť orgány jsou schopny osmotický tlak regulovat. Největší úkol při osmoregulaci mají ledviny. Pokud lidský organismus ztratil velké množství tekutin (krvácení, průjmy), je třeba ztrátu nahradit vpravením vody a případně též elektrolytů a živin do krevního řečiště. Tato kapalina (infuze) musí být ovšem s krví izotonická. Podání hypotonického nebo hypertonického roztoku poškozuje krevní elementy.

1.8Jevy na rozhraní mezi dvěma fázemi

Molekuly nacházející se na povrchu kapaliny mají odlišné vlastnosti od molekul uvnitř kapaliny. Mají větší potenciální energii než ostatní molekuly – povrchové vrstvě přiřazujeme tzv. povrchovou energii. Jejím projevem je vznik povrchového napětí, veličiny, která charakterizuje závislost povrchové energie kapaliny na jejím povrchu (kapalina má snahu mít co nejmenší energii, proto se snaží mít i nejmenší energii povrchovou).

Mezi základní vlastnosti kapalin patří tekutost a povrchové napětí.

1.8.1Tekutost

Tekutost je důvodem, proč se kapaliny dají přelévat – kapaliny nemají stálý tvar (zaujímají jej podle nádoby), snadno se dělí (kapky), jsou nestlačitelné (objem se nemění).

1.8.2Povrchové napětí

Povrchové napětí je vlastnost, která způsobuje, že se povrch kapalin chová jako elastická fólie a snaží se dosáhnout co možná nejhladšího stavu s minimální plochou. To znamená, že se povrch tekutiny snaží dosáhnout stavu s nejmenší energií. Pokud by na kapalinu nepůsobily vnější síly, měla by kulový tvar, protože koule má ze všech těles stejného objemu nejmenší povrch. Čím větší je povrchové napětí, tím „kulatější“ je kapička této kapaliny.

Povrchové napětí je definováno jako podíl velikosti povrchové síly (vektor síly leží v povrchu kapaliny) působící kolmo na jednotku délky v rovině povrchu kapaliny (N · m–1).

Povrchové napětí je výsledkem vzájemné interakce molekul a atomů, z nichž se skládá povrchová vrstva. Je definováno jako síla ∆F, působící kolmo na délku ∆l myšleného řezu povrchem kapaliny, dělená touto délkou. Vektor povrchového napětí leží v rovině tečné k povrchu v daném bodě. Povrchové napětí můžeme vyjádřit následujícím vztahem:

Hodnota povrchového napětí klesá s rostoucí teplotou a nezávisí na velikosti povrchu kapaliny. Povrchové napětí způsobuje dva biologicky důležité jevy: kapilární elevaci a depresi (vodní roztoky mají spíše elevaci). Látky, které snižují hodnotu povrchového napětí kapalin, se nazývají povrchově aktivní látky (surfaktanty, tenzory). Povrchové napětí se uplatňuje na fázových rozhraních živých organismů. Má velký význam například při dýchání. Surfaktant je tekutina, která obsahuje proteiny a fosfolipidy a vytváří v plicích na povrchu alveol fosfolipidovou vrstvu oddělující plyny a kapaliny na povrchu epiteliálních buněk. Snižuje povrchové napětí na rozhraní tekutina-vzduch v alveolech a tím snižuje sílu, kterou musí vynaložit dýchací svaly, aby došlo k rozepnutí plic, čímž zabraňuje kolapsu alveolů. Povrchové napětí je tedy takové, aby nedocházelo ke kolapsu plic. Surfaktant na povrchu alveol vytváří tenkou vrstvu kapaliny, zabraňuje však nahromadění kapaliny uvnitř a podílí se na odstraňování částic z alveol, čímž také zlepšuje možnost jejich čištění. S povrchovým napětím na rozhraní dvou fází souvisí i další jev – adsorpce.

Adsorpce je děj, při němž adsorbent váže adsorbovanou látku pouze slabými van der Waalsovými silami. Probíhá pouze na povrchu adsorbentu. V důsledku výhodnějšího energetického uspořádání soustavy se na fázovém rozhraní může významně zvýšit koncentrace látky z jedné fáze – rozpuštěné látky nebo plynu. Pro množství adsorbované látky je rozhodující v případě plynu tlak, v případě roztoku koncentrace.

Příklady: Některá léčiva upravují prostředí v tenkém i tlustém střevě, odstraňují tlak a napětí vzniklé na základě plynatosti. Jejich účinek spočívá ve snížení hodnoty povrchového napětí tekutiny obsažené v žaludku a trávicím ústrojí, čímž usnadňují odchod plynu a odstraňují nepříjemné pocity s tím spojené. Jedná se o látky, které se po perorálním podání nevstřebávají, působí pouze uvnitř trávicí trubice a odchází v nezměněném stavu stolicí. Některé potravinové doplňky působí v těle člověka na všechny povrchy sliznic tak, že snižují hodnotu povrchového napětí. Tím působí na vylučovací a detoxikační funkci organismu.

1.9Pohyb látek

V klasické mechanice se studují pohyby těles, jejichž rychlosti jsou mnohem menší než rychlost světla. Kinematika je oblastí mechaniky, která se zabývá pouze pohyby těles v závislosti na čase, aniž by zkoumala, proč se tělesa pohybují. Příčinou pohybu těles a různých pohybových změn se zabývá dynamika. Pohyby těles a jejich příčinu popisují tři Newtonovy pohybové zákony.

1.Newtonův pohybový zákon – zákon setrvačnosti

Každé těleso setrvává v klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu, pokud není nuceno silovým působením jiných těles tento stav změnit.

Tento zákon, nazývaný také zákonem setrvačnosti, říká, že pohyb těles nemůže vzniknout jinak než jako výsledek jejich vzájemného působení. Důležité také je, že se tento zákon vztahuje pouze k vnějším silám. Síly působící mezi částicemi tělesa (vnitřní síly) nemají žádný vliv na celkový pohyb tělesa.

První pohybový zákon říká, že bez vnějšího působení si těleso zachovává svou hybnost. Hybnost je fyzikální vektorová veličina, která vyjadřuje míru setrvačnosti tělesa. Velikost hybnosti p je přímo úměrná hmotnosti m a rychlosti v tělesa, vektor hybnosti má stejný směr jako vektor rychlosti. Hybnost je matematicky vyjádřena vztahem:

2.Newtonův pohybový zákon – zákon síly

Velikost zrychlení tělesa (hmotného bodu) a je přímo úměrná velikosti výslednice sil působících na těleso (hmotný bod) F a nepřímo úměrná hmotnosti tělesa (hmotného bodu) m. Směr zrychlení je shodný se směrem výslednice sil. Matematicky zapisujeme druhý pohybový zákon (zákon síly) ve tvaru:

Druhý Newtonův pohybový zákon říká, že síla je příčinou změny rychlosti pohybu, nikoliv pohybu jako takového.

3.Newtonův pohybový zákon – zákon akce a reakce

Každá dvě tělesa ne sebe vzájemně působí stejně velkými silami opačného směru (jedné síle se říká akce, druhé reakce). Akce a reakce současně vznikají a současně zanikají. Ekvivalentní formulace: Jestliže těleso 1 působí silou na těleso 2, pak také těleso 2 působí na těleso 1 stejně velkou silou opačného směru. Zákon akce a reakce můžeme matematicky vyjádřit následovně:

Distribuci (mechanismus kinetiky) látek v organismu lze definovat jako děj, kterým jsou látky po svém podání rozdělovány v celém těle i mezi jeho jednotlivými částmi. Distribuce je podmíněna rozpuštěním látky v tělních tekutinách a její vazbou na bílkoviny plazmy a tkání. Biologicky nejdůležitějším rozpouštědlem je voda. Látka, která pronikla z krve do tkání, je zčásti rozpuštěna v extracelulární a intracelulární tekutině, zčásti se reverzibilně váže na povrch buněk a na různé makromolekulární struktury uvnitř buňky, případně se ukládá do depotních tkání.

Z organismu jsou vylučovány jednak metabolity jednotlivých metabolických pochodů, jejichž zvýšená koncentrace je pro živý organismus zpravidla toxická (katabolity), jednak látky, které přijal organismus v nadbytečném množství a jejichž části se zbavuje. V těchto pochodech se uplatňuje řada již výše uvedených biofyzikálních dějů a fyzikálních zákonů. Vylučování látek z organismu se děje ledvinami, zažívacím traktem, plícemi, žlázami různých orgánů a kůží.

Znalost mechanismů kinetiky látek je nezbytná například ve farmakoterapii – farmakokinetice a farmakodynamice, kde se hledá pro danou formu léčivé látky nejúčinnější způsob podání. Cesta podání může být intravaskulární (lék je podán do žíly, do arterie či přímo do dutiny srdce), extravaskulární (lék podáváme do tkáně, odkud se vstřebává do krevního oběhu; patří sem podání do svalu, do úst, pod jazyk, do konečníku, na kůži, do podkoží, do dutiny břišní a vdechováním) či lokální (lék se nevstřebá a vyvolá pouze místní účinek v místě aplikace).
Většina léků se váže (je absorbována) na plazmatické bílkoviny. Vazba na plazmatické bílkoviny je proces, který směřuje k vytvoření a k udržení rovnovážného stavu mezi vázaným a volným množstvím příslušného léčiva a je za definovaných podmínek pro každý lék specifický.
Adsorpce je děj, při němž adsorbent váže adsorbovanou látku pouze slabými van der Waalsovými silami. Probíhá pouze na povrchu adsorbentu.
Absorpce je děj, při němž se absorbovaná látka na absorpční činidlo váže poměrně silnými chemickými vazbami. Většinou probíhá v celém objemu absorbentu.
Příklad: Ibuprofen se silně váže na plazmatické bílkoviny (až 99 %), warfarin má vazebnost více než 99 %, valproát se ve vysoké míře váže na plazmatické bílkoviny, tato vazba závisí na dávce a je nasytitelná. U hemofilie při vnitřním krvácení například do svalů nebo kloubů spočívá léčba v substituci plazmatické bílkoviny, resp. koagulačního faktoru, který chybí. Amoxicilin se váže na plazmatické bílkoviny asi z 20 %. Paracetamol se rychle a téměř úplně vstřebává z gastrointestinálního traktu. Rychle se distribuuje do všech tkání a tělesných tekutin. Maximální hladiny vazebnosti v plazmě je dosaženo za 10–60 minut po podání.
Vazbou látky na plazmatické bílkoviny se vytvářejí velké komplexy, které nemohou procházet biologickými membránami. Vázaná část látky je pak ve svém účinku neefektivní, protože nemůže proniknout do tkání ke svým receptorům. Zároveň se nemůže dostat k intracelulárním enzymům, není metabolizována a biochemickou transformací inaktivována. Prodlužuje se tak její účinek. Tento efekt se využívá ve farmakoterapii, chceme-li prodloužit dobu působení některého léku nebo prodloužit dobu jeho odbourávání.
Příklad: Léky s postupným uvolňováním účinné látky (často nazývané retardované) patří dnes mezi velmi atraktivní ve směru vývoje léčiv. Obvykle obsahují již dříve dlouho užívanou aktivní látku. Avšak novou lékovou formu stačí vzít k dosažení stejného účinku, pokud jsme užívali původní lék například 4krát denně, nyní stačí jen jednou za den. Kromě toho, že podávání takového léku je pro pacienta pohodlnější, je často také dosaženo i lepšího udržování terapeutické hladiny účinné látky v krvi a s tím někdy spojeného snížení výskytu nežádoucích účinků.

2Přeměna energie vorganismu

2.1Termodynamika

Elementárním prvkem termodynamiky jsou makroskopicky objemově rozsáhlé objekty svelkým počtem částic. Abychom je mohli považovat za samostatné objekty, musíme je oddělit skutečnou nebo pomyslnou hranicí od jejich okolí. Pro termodynamické systémy je důležité, že mají stejné vlastnosti vcelém objemu avliv hranice iokolí je zanedbatelný. Tyto systémy nazýváme fyzikálně homogenní aizotropní (mají stejné vlastnosti ve všech částech ive všech směrech systému). Okolím se nazývá prostor vně uvažované soustavy.

Obr. 2.1 Schéma soustavy

Podle interakce sokolím rozdělujeme termodynamické systémy na systémy izolované, otevřené auzavřené. Otevřená soustava si vyměňuje sokolím energii ihmotu (příkladem může být hrnec bez pokličky). Uzavřená soustava si sokolím vyměňuje energii, ale nevyměňuje si hmotu (jako příklad můžeme uvést láhev sminerálkou). Izolovanou soustavou nazýváme tu, která si sokolím nevyměňuje ani energii ani hmotu (např. zavřená chladící taška). Adiabaticky uzavřená soustava je taková, která je dokonale tepelně izolovaná od okolí.

Termodynamika je oborem fyziky, který se zabývá procesy avlastnostmi termodynamických soustav zenergetického hlediska, tj. sprocesy, které souvisejí steplem atepelnými jevy. Pojednává také ovzájemných přeměnách různých druhů energie, osměřování fyzikálních achemických pochodů apředevším orovnovážných stavech. Sleduje změny vsoustavách vyvolaných změnou vnějších podmínek. Umožňuje stanovit množství různých forem energie vyměněných mezi okolím asoustavou, dokáže určit podmínky uskutečnitelnosti těchto dějů, určit za jakých podmínek se vsoustavě ustaluje termodynamická rovnováha (stav, při kterém vsystému neprobíhají žádné makroskopické změny, atermodynamické veličiny jsou včase konstantní). Dokáže určit složení soustavy vrovnováze analézt vhodné podmínky pro získání optimálních výtěžků. Pomocí termodynamiky naopak nelze určit rychlost děje adobu potřebnou kdosažení rovnováhy.

Termodynamické děje rozdělujeme na vratné anevratné. Při vratném (reverzibilním) ději se lze vrátit do výchozího stavu (děj A– děj B – děj A), soustava je vtermodynamické rovnováze. Unevratných (ireverzibilních) procesů zpětný proces není realizovatelný bez zapojení dalších těles. Nevratné procesy jsou nestacionární, tj., jsou včase nerovnovážné. Termodynamika vychází zobecných principů přeměny energie, které jsou popsány třemi termodynamickými zákony.

2.2Hlavní termodynamické zákony

1.termodynamický zákon – zákon zachování energie: Celková změna vnitřní energie ∆Uje dána dodaným teplem Q avykonanou prací na daném systému W. Tedy:

Rovnice [2.1] na základě zákona zachování energie vyjadřuje skutečnost, že systém nemůže konat práci, aniž by mu bylo dodáno teplo nebo aniž by mu poklesla jeho vnitřní energie.

První termodynamický zákon je zákonem kvantitativním, který říká, že všechny druhy energie jsou kvantitativně rovnocenné alze je vzájemně přeměňovat na jiné formy energie. Jednodušeji řečeno, energie nevzniká zničeho, jedna její forma se může přeměňovat vdruhou. Ukazuje se, že vpraxi existuje málo dějů, při nichž těleso přijímá nebo odevzdává teplo jen tepelnou výměnou nebo jen konáním práce. Běžnější jsou děje, při nichž dochází kodevzdávání nebo přijímání tepla oběma způsoby.

2.termodynamický zákon vysvětluje přirozený směr, kterým přírodní procesy probíhají, tzn., určuje směr předávání tepelné energie. Tento zákon zajišťuje, že se nebudou odehrávat děje, které jsou sice možné zhlediska zákona zachování energie, ale jsou velmi nepravděpodobné. Máme-li například vedle sebe dvě desky, jednu teplou ajednu chladnější, je nepravděpodobné, aby teplejší deska zvýšila svou teplotu na úkor chladnější, která by se ještě více ochladila. Je zajímavé, že tento zákon neplatí 100%, ale spravděpodobností blížící se jedné (tj. téměř 100 %). Je to způsobeno těsnou vazbou termodynamiky apravděpodobnosti náhodných procesů. Čas od času by velmi malé množství tepla mohlo přejít zchladnějšího tělesa na teplejší. Takovým malým výkyvům říkáme fluktuace.

3.termodynamický zákon popisuje chování látek vblízkosti absolutní nulové teploty aříká, že při absolutní nulové teplotě je entropie látky rovna nule. Bylo zjištěno, že některé fyzikální vlastnosti se vblízkosti této teploty stávají nulovými, je to např. měrné teplo, elektrický odpor vodičů, teplotní roztažnost apod. Vblízkosti absolutní nuly dochází kzastavení tepelného pohybu molekul.

Třetí termodynamický zákon lze formulovat také následovně – nedostupnost absolutní nuly: Žádným konečným počtem konečných termodynamických procesů není možné dosáhnout nulu absolutní teplotní škály.

Termodynamika se zabývá také studiem systémů tvořených mnoha složkami, mezi které patří iorganismus člověka.

Pro pochopení přeměny energie vorganismu je důležitý 1. termodynamický zákon (zákon zachování energie), který jsme popsali rovnicí [2.1]. Vsouladu stímto zákonem se vorganismu vyměňuje energie ve dvou formách: jako teplo nebo jako dodaná anebo vykonaná práce.

2.3Potřeba energie

Vyjádřením všech chemických, energetických aenzymových reakcí, při kterých dochází kproměně látek aenergií vbuňkách aživých organismech, je metabolismus. Při metabolismu rozlišujeme dva děje:

•Anabolismus – soubor syntetických reakcí, při kterých zlátek jednodušších vznikají látky složitější, energie se při těchto reakcích spotřebovává (endergonické reakce). Anabolismus převažuje vbuňce, která roste arozmnožuje se.

•BMR užen = 655,0955 + (9,5634 × váha vkg) + (1,8496 × výška vcm) − (4,6756 × věk vletech) kcal/den

•BMR umužů = 66,473 + (13,7516 × váha vkg) + (5,0033 × výška vcm) − (6,755 × věk vletech) kcal/den

2.4Energetická bilance