University of Cyprus Biomedical Imaging and Applied Optics ΗΜΥ 370 Εισαγωγή στη Βιοϊατρική Μηχανική Ανατομία και Φυσιολογία
Το Σύνθετο Κύτταρο Η βασική οργανωτική μονάδα του ανθρώπινου σώματος είναι το κύτταρο. Υπάρχουν 50-100 τρισεκατομμύρια κύτταρα στο ανθρώπινο σώμα. Διαφοροποίηση παρουσιάζεται όταν τα κύτταρα εξειδικεύονται. Ως αποτέλεσμα της διαφοροποίησης, τα κύτταρα ποικίλλουν σε μέγεθος και σχήμα λόγω των ξεχωριστών λειτουργιών τους. 2
Το Σύνθετο Κύτταρο Τα κύρια μέρη: Κυτταρική μεμβράνη (cytoplasmic membrane) επιλεκτικός φραγμός Κυτταρόπλασμα (cytoplasm) Κυτταρικό περιεχόμενο μεταξύ της κυτταρικής μεμβράνης και πυρήνα Πυρήνας (mucleus) περιέχει DNA Mitochondrion Microvilli Microtubules Centrioles Secretory vesicles Golgi apparatus Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Microtubule Flagellum Basal body Nuclear envelope Nucleus Nucleolus L ysosomes Chromatin Ribosomes Cell membrane Phospholipid bilayer 3 Rough Endoplasmic reticulum Smooth Endoplasmic reticulum Microtubules Cilia 3
Κυτταρική Μεμβράνη Εξωτερικό όριο του κυττάρου Ελέγχει τι κινείται μέσα και έξω από το κύτταρο Επιλεκτικά διαπερατή Διπλοστοιβάδα φωσφολιπιδίων Υδατοδιαλυτές "κεφαλές" δημιουργούν την επιφάνεια (υδρόφιλες) Μη-διαλυτές στο νερό "ουρές" δημιουργούν το εσωτερικό (υδρόφοβες) Διαπερατή από λιποδιαλυτές ουσίες Η χοληστερόλη σταθεροποιεί τη μεμβράνη Πρωτεΐνες: Υποδοχείς Πόροι, δίαυλοι, και φορείς Ένζυμα Μόρια κυτταρικής προσκόλλησης Αυτο-δείκτες Double layer of Phospholipid molecules (a) Extracellular side of membrane Cytoplasmic side of membrane Cell membrane (b) Cell membrane Heads of phospholipid Tails of phospholipid Glycolipid Carbohydrate Fibrous protein Glycoprotein Cholesterol molecules Globular protein Hydrophilic Phosphate head Hydrophobic fatty acid tail 4
Μετακίνηση Δια Μέσου της Μεμβράνης Κυτταρική Μεμβράνη = επιλεκτικός φραγμός Ελεγχόμενη μετακίνηση διαμέσου της μεμβράνης Ελάχιστα μόρια περνούν με απλή διάχυση Παθητικές (Φυσικές) Διεργασίες Δεν απαιτούν κυτταρική ενέργεια και περιλαμβάνουν: Απλή διάχυση (diffusion) Υποβοηθούμενη Διάχυση (Facilitated diffusion) Όσμωση (Osmosis) Ενεργητικές (Φυσιολογικές) Διεργασίες Απαιτούν ενέργεια και περιλαμβάνουν: Ενεργητική Μεταφορά (Active transport) Ενδοκυττάρωση (Endocytosis) Εξωκυττάρωση (Exocytosis) 5
Διάχυση Απλή Διάχυση (Diffusion) Μεταφορά ουσιών από περιοχές με ψηλή συγκέντρωση σε περιοχές με χαμηλή συγκέντρωση Οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα και λιποδιαλυτές ουσίες Permeable membrane A (1) B A B A B (2) (3) Time Solute molecule Water molecule Υποβοηθούμενη (Facilitated) Διάχυση Διάχυση διαμέσου μιας μεμβράνης με τη βοήθεια δίαυλων ή μοριακών φορέων (carrier molecules) Γλυκόζη και αμινοξέα Region of lower concentration Transported substance Protein carrier molecule Cell membrane Region of higher concentration 6
Όσμωση Μετακίνηση νερού διαμέσου μιας επιλεκτικά διαπερατής μεμβράνης από περιοχές υψηλότερης συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλότερης συγκέντρωσης Το νερό κινείται προς μια υψηλότερη συγκέντρωση διαλυμένων ουσιών Οσμωτική πίεση - ικανότητα της όσμωσης να παράγει αρκετή πίεση ώστε να μετακινεί ένα όγκο νερού Η οσμωτική πίεση αυξάνεται καθώς η συγκέντρωση των μη-διαπερατών διαλυμένων ουσιών αυξάνεται Διάλυμα Ισοτονικό - ίδια οσμωτική πίεση Υπερτονικό - ψηλότερη οσμωτική πίεση (απώλεια νερού) Υποτονικό - χαμηλότερη οσμωτική πίεση (αύξηση του νερού) Selectively permeable membrane A B (1) (2) Time A Protein molecule Water molecule B 7
Cell membrane Ενεργητική Μεταφορά Ειδικά μόρια (φορείς) μεταφέρουν κάποιες ουσίες διαμέσου τις μεμβράνης από περιοχές χαμηλής σε ψηλής συγκέντρωσης Σάκχαρα, αμινοξέα, ιόντα νατρίου, ιόντα καλίου, κλπ. Σπαταλείται ενέργεια (a) Phospholipid molecules Carrier protein Carrier protein with altered shape Binding site Transported particle Region of higher concentration Region of lower concentration (b) Cellular energy 8
Ενδοκυττάρωση (Endocytosis) Το κύτταρο μεταφέρει στο εσωτερικό μια ουσία σχηματίζοντας ένα κυστίδιο γύρω της Τρεις τύποι: Πινοκυττάρωση ουσία είναι κυρίως νερό Φαγοκυττάρωση ουσία είναι ένα στερεό Ενδοκυττάρωση με μεσολάβηση υποδοχέα η ουσία δεσμεύεται από ένα υποδοχέα προσδεμένο στην μεμβράνη Cell Particle membrane Nucleus Nucleolus Receptor protein Cytoplasm Cell membrane Receptor-ligand combination Cell membrane indenting Phagocytized particle Vesicle Vesicle 9
Εξωκυττάρωση (Exocytosis) Το αντίθετο της ενδοκυττάρωσης Οι ουσίες βρίσκονται σε κυστίδιο το οποίο συγχωνεύεται με την κυτταρική μεμβράνη Το περιεχόμενο απελευθερώνεται έξω από το κύτταρο Π.χ. απελευθέρωση νευροδιαβιβαστή από τους νευρώνες. Endoplasmic reticulum Golgi apparatus Nucleus 10
Ηλεκτροχημική Διαφορά Κυτταρικής Μεμβράνης Οφείλεται στην επιλεκτική διαπερατότητα Ηλεκτροχημική Διαφορά (Electrochemical Gradient) Διαφορά στη συγκέντρωση των χημικών ουσιών στις δυο πλευρές της μεμβράνης Διαφορά στην κατανομή των φορτίων στις δύο πλευρές της μεμβράνης διαφορά καθορίζει το δυναμικό της μεμβράνης 11
Κυτταρόπλασμα Κυτοσόλιο (Cytosol) = νερό Οργανίδια = στερεά Το κυτταρόπλασμα είναι σαν τζέλι με φρούτα Το τζέλι είναι το κυτοσόλιο και τα φρούτα (σταφύλια, μπανάνες, πορτοκάλι, κάποτε ξηροί καρποί, κλπ) είναι τα οργανίδια 12
Οργανίδια Ενδοπλασμικό Δίκτυο (Endoplasmic Reticulum) Μεμβράνη με σάκους, κανάλια, και κυστίδια Σύστημα μεταφοράς Τραχύ ΕΔ (Rough ER) Ριβοσώματα σύνθεση πρωτεϊνών Λείο ΕΔ (Smooth ER) Σύνθεση λιπιδίων Αποθήκευση ουσιών Σύμπλεγμα Golgi (Golgi Complex) Στοιβάδες από επίπεδους μεμβρανώδεις σάκους Τροποποιεί, συσκευάζει σε κυστίδια και κατανέμει πρωτεΐνες (Rough ER) Membranes Ribosomes Smooth ER Membranes 13
Οργανίδια Μιτοχόνδρια (Mitochondria) Μεμβρανώδη κυστίδια με εσωτερικά χωρίσματα Παράγει το 90% της ενέργειας των κυττάρων Μερικές 100 μέχρι αρκετές 1000, ανάλογα με τις ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου. Περίπου το μέγεθος ενός βακτηριδίου Έχουν το δικό τους DNA Κατάλοιπα ενδοκυτταρομένων βακτηρίων; 14
Οργανίδια Λυσοσώματα (Lysosomes) Κυστίδια που περιέχουν ένζυμα Διασπούν φθαρμένα μέρη των κυττάρων ή ανεπιθύμητες ουσίες Υπεροξεισώματα (Peroxisomes) Κυστίδια που περιέχουν οξειδωτικά ένζυμα (παράγουν Η 2 Ο 2 ) Διασπούν οργανικά μόρια 15
Οργανίδια Τριχία (Cilia) Τριχοειδείς προεξοχές Ωθήσει ουσιών στην επιφάνεια των κυττάρων Μαστίγια (Flagella) Μακρές προεξοχές σαν ουρές Παρέχουν κινητικότητα στα κύτταρα (π.χ. σπέρμα) 16
Οργανίδια Κυτταροσκελετός Μικρονημάτια και μικροσωληνίσκοι (microfilaments and micortubules) Λεπτοί ράβδοι και σωληνάρια Μηχανική στήριξη του κυτταροπλάσματος Επιτρέπει την κυκλοφορία οργανιδίων Κυτταρικά Έγκλειστα (Inclusions) Αποθηκεύυον προσωρινά θρεπτικά συστατικά και χρωστικές ουσίες Microtubules Microfilaments 17
Κυτταρικός Πυρήνας Πυρήνας (Nucleus) Το κέντρο ελέγχου του κυττάρου Πυρηνική Μεμβράνη Πορώδης διπλή μεμβράνη Διαχωρίζει το πυρηνόπλασμα από κυτταρόπλασμα Πυρηνίσκος (nucleolus) Συμπυκνωμένο RNA και πρωτεΐνες Περιοχή σύνθεσης ριβοσωματίων Χρωματίνη (Chromatin) Ίνες DNA και πρωτεϊνών Περιέχει τις πληροφορίες για τη σύνθεση των πρωτεϊνών Περισσότερα για το DNA στη διάλεξη για τη γενετική Nucleus Nuclear envelope Nucleolus Chromatin Nuclear pores 18
Ο Κυτταρικός Κύκλος Σειρά αλλαγών που υφίσταται ένα κύτταρο από τη στιγμή που σχηματίζει μέχρι τη στιγμή χάσματος Στάδια: Ενδοφάση (τον περισσότερο χρόνο) Μίτωση Ενδοφάση Πολύ δραστήρια περίοδος Το κύτταρο διατηρεί λειτουργίες ρουτίνας μεγαλώνει αναπαράγει το γενετικό υλικό (προετοιμασία για την πυρηνική διαίρεση) συνθέτει νέα οργανίδια (προετοιμασία για κυτταροπλασματική διαίρεση) 19
Ο Κυτταρικός Κύκλος Μίτωση Παράγονται δύο θυγατρικά κύτταρα από ένα αρχικό σωματικό κύτταρο Διαχωρίζεται ο πυρήνας Σχηματίζουν χρωμοσώματα Εξαφανίζεται η πυρηνική μεμβράνη Τα χρωμοσώματα ευθυγραμμίζονται στο μέσο Τα χρωμοσώματα διαχωρίζονται Σχηματίζεται χρωματίνη και διαμορφώνεται η πυρηνική μεμβράνη Διαχωρίζεται το κυτταρόπλασμα Early Interphase of daughter cells a time of normal cell growth and function. (e) Cleavage furrow (a) Nuclear Telophase and Cytokinesis envelopes Nuclear envelopes begin to reassemble around two daughter nuclei. Chromosomes decondense. (d) Spindle disappears. Division of the cytoplasm into two cells. Restriction checkpoint Chromosomes Nuclear envelope Chromatin fibers Centrioles Anaphase Sister chromatids separate to opposite poles of cell. Events begin which lead to cytokinesis. Ed Reschke Aster Microtubules Centromere Spindle fiber (b) Metaphase Chromosomes align along equator, or metaphase plate of cell. (c) Late Interphase Cell has passed the restriction checkpoint and completed DNA replication, as well as replication of centrioles and mitochondria, and synthesis of extra membrane. Prophase Chromosomes condense and become visible. Nuclear envelope and nucleolus disperse. Spindle apparatus forms. Late prophase Sister chromatids Mitosis Cytokinesis G 1 phase S phase G 2 phase 20 Interphase
Βλαστικά και Προγονικά Κύτταρα Βλαστικά κύτταρα (Stem cells): Μπορούν να διαιρεθούν για να σχηματίσουν δύο νέα βλαστικά κύτταρα Αυτο-ανανέωση Μπορούν να διαιρεθούν και να σχηματίσουν ένα βλαστικό κύτταρο και ένα προγονικό κύτταρο Ολοδύναμα - μπορούν να παράγουν κάθε τύπο κυττάρου Sperm Fertilized egg Stem cell Egg Stem cell Progenitor cell Progenitor cell Progenitor cell Progenitor cell Sebaceous gland cell Skin cell Neuron Προγονικά κύτταρα (Progenitor cells): Μπορούν να διαιρεθούν και να γίνουν ένα είδος από ένα περιορισμένο αριθμό κυτταρικών τύπων Διαφοροποίηση Πολυδύναμα - μπορεί να οδηγήσει σε περιορισμένο αριθμό κυτταρικών τύπων Progenitor cell Progenitor cell Progenitor cell Progenitor cell Progenitor cell Fibroblasts (a connective tissue cells) Progenitor cell Bone cells Astrocyte one or more steps produces another stem cell (self-renewal) Blood cells and platelets 21
Κυτταρικός Θάνατος Νέκρωση (Necrosis) Λόγω τραυματισμού Το κύτταρο πεθαίνει και αποσυντίθεται Ενεργοποιείται το ανοσοποιητικό σύστημα φλεγμονή Απόπτωση (Apoptosis) Προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος Μηχανισμός προστασίας Συνεχής διαδικασία Φαγοκυττάρωση χωρίς φλεγμονή Περισσότερα για την ανάπτυξη και τον θάνατο των κυττάρων στη διάλεξη για τη βιολογία του καρκίνου 22
Ανατομία και Φυσιολογία Ανατομία (Anatomy) μελέτη της δομής Ανά + τομή Φυσιολογία (Physiology) μελέτη της λειτουργίας Φύση + λογία (μελέτη) Η δομή υπαγορεύει και τη λειτουργία 23 23
Επίπεδα Οργάνωσης Υποατομικά σωματίδια Subatomic particles Άτομα Atom Μόρια Molecule Συστήματα Οργάνων Organ system Μακρομόρια Macromolecule Οργανίδια Organelle Κύτταρα Cell Όργανα Organ Ιστοί Tissue Οργανισμοί Organism 24
Επίπεδα Οργάνωσης Ιστοί (Tissue) Ομάδα κυττάρων που εργάζονται μαζί για να εκτελέσουν μια λειτουργία 4 βασικοί τύποι Επιθηλιακός ιστός Συνδετικός ιστός Μυϊκός ιστός Νευρικός ιστός 25
Επίπεδα Οργάνωσης Συστήματα Όργανα με κοινή λειτουργία 11 συστήματα 26
Δερματικό (Integumentary) Σύστημα Όργανα Δέρμα Μαλλιά Αδένες Λειτουργίες Προστασία Ρύθμιση της θερμοκρασίας του σώματος Έκκριση απόβλητων Παραγωγή βιταμίνης Δ Αισθήσεις 27
Σκελετικό (Skeletal) Σύστημα Όργανα Οστά Αρθρώσεις Χόνδρος Λειτουργίες Υποστήριξη Προστασία Κίνηση του σώματος Παράγει τα κύτταρα του αίματος Αποθηκεύει μέταλλα & λίπη 28
Μυϊκό (Muscular) Σύστημα Όργανα Σκελετικοί μύες Λειτουργίες Κίνηση του σώματος Στάση (posture) του σώματος Παράγει θερμότητα 29
Νευρικό (Nervous) Σύστημα Όργανα Εγκέφαλος (brain) Νωτιαίος Μυελός (spinal cord) Νεύρα (nerves) Εξειδικευμένα όργανα αισθήσεων Λειτουργίες Ανιχνεύει, ερμηνεύει και ανταποκρίνεται σε αλλαγές στο περιβάλλον Μεταφορά και επεξεργασία πληροφορίας Δυναμικά ενεργείας (action potentials) παλμοί νευρώνων 30
Ενδοκρινικό (Endocrine) Σύστημα Όργανα Αδένες και κύτταρα που παράγουν ορμόνες Λειτουργίες Έκκριση ορμονών που ρυθμίζουν τις λειτουργίες του σώματος 31
Καρδιαγγειακό (Cardiovascular) Σύστημα Όργανα Αίμα (blood) Καρδιά (heart) Αιμοφόρα αγγεία (blood vessels) Λειτουργίες Διανομή του αίματος Μεταφέρει O 2 και θρεπτικά συστατικά στα κύτταρα και απομακρύνει τα απόβλητα Ρυθμίζει τη θερμοκρασία, την οξεοβασική ισορροπία (ph), και τον όγκο των υγρών (H 2 O) 32
Λυμφατικό (Lymphatic) Σύστημα Όργανα Λεμφικό υγρό και αγγεία Σπλήνα Θύμος Λεμφαδένες Αμυγδαλές Λειτουργίες Μεταφέρει λιπιδίων Ανοσοποιητική προστασία 33
Αναπνευστικό (Respiratory) Σύστημα Όργανα Πνεύμονες Φάρυγγας Λάρυγγας Τραχεία Βρόγχοι Λειτουργίες Ανταλλαγή αερίων Οξεοβασική ισορροπία Παραγωγή ήχου 34
Πεπτικό (Digestive) Σύστημα Όργανα Στόμα Φάρυγγας Οισοφάγος Στομάχι Λεπτό έντερο Παχύ έντερο Σιελογόνοι αδένες Συκώτι Χοληδόχος κύστη Πάγκρεας Λειτουργίες Διάσπαση της τροφής Απορρόφηση θρεπτικών ουσιών Έκκριση αποβλήτων 35
Ουροποιητικό (Urinary) Σύστημα Όργανα Νεφροί Ουρητήρες Ουροδόχος κύστη Ουρήθρα Λειτουργίες Εκκρίνει απόβλητα Ρυθμίζει τη σύνθεση και τον όγκο του αίματος Οξεοβασική ισορροπία 36
Αναπαραγωγικό (Reproductive) Σύστημα Όργανα Ωοθήκες Όρχεις Συναφείς δομές Λειτουργίες Παραγωγή γαμετών Ρύθμιση των ορμονών της αναπαραγωγής Αναπαραγωγή 37
Οργάνωση του Ανθρωπίνου Σώματος Κοιλότητες του σώματος Κρανιακή Κοιλότητα Cranial cavity Cranial cavity Σπονδυλικός σωλήνας V ertebral canal Vertebral canal Θωρακική Κοιλότητα Thoracic cavity Διάφραγμα Diaphragm Δεξιά πλευρική κοιλότητα Thoracic cavity Right pleural cavity Pericardial cavity Περικαρδιακή κοιλότητα Μεσοθωράκιο Mediastinum Thoracic cavity Left pleural cavity Αριστερή πλευρική κοιλότητα Diaphragm Κοιλιακή κοιλότητα Abdomino pelvic cavity Abdominal cavity Pelvic cavity Πυελική κοιλότητα Abdominopelvic cavity (b) Abdominal cavity Pelvic cavity (a) 38
Ανατομική Θέση Ανατομική Θέση Όρθια στάση, στραμμένος προς τα εμπρός, τα άνω άκρα στο πλάι, οι παλάμες στραμμένες προς τα εμπρός και οι αντίχειρες έξω 39
Τομές ή Επίπεδα του Σώματος Οβελιαία ή Διάμεση (sagital) διαιρεί το σώμα σε αριστερό και δεξί τμήμα Μεσοβελιαία (midsagital) - χωρίζει το σώμα σε ίσα αριστερά και δεξιά τμήματα A section along the median plane Median (midsagittal) plane Parasagittal plane Transverse (horizontal) plane Εγκάρσια ή οριζόντια (transverse) χωρίζει το σώμα σε ανώτερο και κατώτερο τμήμα A section along a transver plane Στεφανιαία ή μετωπική (coronal) χωρίζει το σώμα σε πρόσθιο και οπίσθιο τμήμα A section along a Frontal plane Frontal (coronal) plane 40
Τομές ή Επίπεδα του Σώματος Οβελιαία ή Διάμεση (sagital) διαιρεί το σώμα σε αριστερό και δεξί τμήμα Μεσοβελιαία (midsagital) - χωρίζει το σώμα σε ίσα αριστερά και δεξιά τμήματα Εγκάρσια ή οριζόντια (transverse) χωρίζει το σώμα σε ανώτερο και κατώτερο τμήμα Στεφανιαία ή μετωπική (coronal) χωρίζει το σώμα σε πρόσθιο και οπίσθιο τμήμα 41
Χαρακτηριστικά της Ζωής Κίνηση αλλαγή στη θέση, κίνηση Ανταπόκριση αντίδραση σε αλλαγές Ανάπτυξη αύξηση του μεγέθους του σώματος χωρίς αλλαγή στο σχήμα Αναπαραγωγή παραγωγή νέων οργανισμών και νέων κύτταρων Αναπνοή απορρόφηση οξυγόνου, απομάκρυνση διοξειδίου του άνθρακα, απελευθέρωση ενέργειας από τις τροφές Κυκλοφορία κυκλοφορία ουσιών στα υγρά του σώματος Πέψη διάσπαση των ουσιών στις τροφές σε απλούστερες μορφές Απορρόφηση - διέλευση των ουσιών (διαμέσου μεμβρανών) στα υγρά του σώματος Αφομοίωση - αλλαγή των απορροφούμενων ουσιών σε χημικά διαφορετικές μορφές Αποβολή - απομάκρυνση των αποβλήτων που παράγονται από μεταβολικές αντιδράσεις Διαφοροποίηση - αδιαφοροποίητα σε εξειδικευμένα 42
Διατήρηση της Ζωής Η ζωή εξαρτάται από πέντε περιβαλλοντικούς παράγοντες: Νερό πιο άφθονη ουσία στον οργανισμό απαιτείται για τις μεταβολικές διεργασίες απαιτείται για τη μεταφορά των ουσιών ρυθμίζει τη θερμοκρασία του σώματος Τροφή παρέχει τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά εφοδιάζει με ενέργεια προμηθεύει πρώτες ύλες Οξυγόνο το ένα-πέμπτο του αέρα χρησιμοποιείται για την απελευθέρωση ενέργειας από τα θρεπτικά συστατικά Θερμότητα μορφή ενέργειας εν μέρει ελέγχει τον ρυθμό των μεταβολικών αντιδράσεων Πίεση εφαρμογή δύναμης σε ένα αντικείμενο ατμοσφαιρική πίεση σημαντική για την αναπνοή υδροστατική πίεση διατηρεί τη ροή του αίματος 43
Διατήρηση της Ζωής Ομοιόσταση (Homeostasis) Διατήρηση ενός σταθερού εσωτερικού περιβάλλοντος Φυσιολογικό κανονικό Δυναμική κατάσταση Περιλαμβάνει διατήρηση του όγκου και της σύνθεσης των υγρών του σώματος ενδοκυττάρικό (ICF) εξωκυττάρικό (ECF) Περισσότερα για την ομοιόσταση κατά τη διάρκεια της επόμενης διάλεξης 44