Природничі науки в медицині

Біологія, фізика та хімія тісно пов’язані з медициною, тому для цих наук важлива міждисциплінарна інтеграція, яка є основою освітнього процесу і використовується в медичних вишах. Науки, що вивчають природу, називають природничими науками.

Біологія – наука про живі організми та їх різноманітність. Тому її ще називають наукою про життя. Учені досліджують та описують зовнішню і внутрішню будову живих істот, умови їх існування, явища, що відбуваються в живих організмах тощо. Завдяки цій науці людина отримує знання, необхідні для збереження й примноження видів живих істот, запобігання хворобам і їх лікування, охорони біосфери та ін.

Фізика перекладається українською як «природа». Ця наука досліджує різноманітні фізичні явища (електричні, звукові, магнітні, механічні, світлові, теплові), що відбуваються з тілами природи. Фізичні знання потрібні для виготовлення різних машин, механізмів, приладів, які людина використовує в побуті, виробництві, наукових дослідженнях тощо.

Хімія досліджує хімічні явища, що постійно відбуваються в природі. Ця наука досліджує речовини, що входять до складу тіл, та перетворення їх на інші. Учених цікавить склад, будова, властивості, добування та застосування різних речовин. Знання хімії дають змогу використовувати речовини, які є в природі, а також створювати нові речовини з наперед заданими властивостями.

 

Розчинність газів у рідинах

Знання особливостей розчинності газів (кисню, вуглекислого газу, азоту) має важливе значення для розуміння майбутніми лікарями того, як відбуваються певні фізіологічні процеси в живих організмах в нормі та при патологічних станах. Тому вже з першого курсу ми починаємо розбиратися в цих питаннях, використовуючи міждисциплінарну інтеграцію.

Відомо, що гази розчиняються у розчинниках по-різному. Так, благородні гази – це неполярні сполуки, тому практично не розчиняються у воді, а гази, що мають велику спорідненість до розчинника, характеризуються легкою розчинністю, тому вуглекислий газ і сірководень у значних кількостях розчинені у мінеральних водах. Неполярні гази (карбон монооксид) у полярних розчинниках (вода) розчиняються важко, а краще – у неполярних органічних розчинниках (спирт, бензен).

Розчинність газів в рідині залежить також від температури (за принципом Ле-Шательє: з її підвищенням розчинність газів зменшується, тому ми можемо спостерігати як влітку при спекотній погоді риби у водоймі стрибають на поверхні води). Це пов’язано із тим, що в цих умовах зменшується розчинність у воді кисню, тиску (за законом Генрі розчинність газу у рідині прямо пропорційна його тиску над рідиною). За першим законом Дальтона загальний тиск суміші газів, які між собою не взаємодіють, дорівнює сумі парціальних тисків усіх її компонентів; за другим законом Дальтона розчинність кожного із компонентів газової суміші у даній рідині за постійної температури прямо пропорційна його парціальному тиску над рідиною і не залежить від загального тиску суміші та вмісту інших компонентів).

Для нормальної фізіології важливо розуміти те, що розчинність різних газів (кисню, азоту, вуглекислого газу) у воді має значення. Газообмін, який відбувається в основному в легенях, базується на різниці парціальних тисків кисню і вуглекислого газу. Треба розуміти, що при потраплянні людини в особливі умови (зміна атмосферного тиску) спостерігаються зміни розчинності газів у крові. Так, коли людина підіймається високо у гори, то на певній висоті може виникати гірська хвороба внаслідок зниженого тиску. Спостерігається кисневий голод (зменшення концентрації кисню у крові), збільшується легенева вентиляція, лужність крові, тому розвивається алкалоз (зсув pH крові в лужний бік). Альпіністи задля того, щоб попередити це явище, напередодні вживають лимонну кислоту.

Цікавим прикладом є кесонна хвороба. Водолази опускаються на глибину – концентрація газів в їх крові суттєво змінюється у зв’язку зі збільшенням тиску. Для попередження розвитку кесонної хвороби водолаз повинен повільно підніматися з глибини, щоб не відбувалося різкого зниження тиску і, як наслідок, стрімкого виділення розчинених у крові газів у вигляді бульбашок. Треба пам’ятати, що ці бульбашки можуть закривати собою капіляри, що сприяє газовій емболії судин, в результаті чого кровопостачання органів порушується – це є причиною важливих порушень нормального функціонування органів і систем.

Крім того, розчинність газів залежить і від наявності електролітів у розчинах (за законом Сеченова розчинність газів у розчинах електролітів менша, ніж у чистому розчиннику). Кров являє собою водну дисперсну систему з неорганічними і органічними речовинами, у зв’язку з цим розчинність кисню, CO2 і азоту в ній значно менша, ніж у воді. Так, в 1 дм3 води розчиняється 23,7 см3 кисню, а у плазмі крові – 23,0 см3 при температурі 37 оС. Цікаво, що при збільшенні в крові кількості кисню, вона значно легше віддає CO2, і при збільшенні тиску вуглекислого газу в крові зростає розчинність кисню.

Елементи геометричної оптики. Оптична система ока людини

Одним із прикладів зв’язку між дисципліною «Медична та біологічна фізика» та безпосередньо роботою майбутнього лікаря можна навести практичне заняття з теми «Елементи геометричної оптики. Оптична система ока людини».

На занятті матеріал розглядається за трьома векторами: елементи геометричної оптики, лінзи та оптична система ока людини.

При розгляді елементів геометричної оптики акцент падає на явища повного внутрішнього відбивання та граничного кута заломлення, які лежать в основі будови таких приладів, як ендоскопи, лапароскопи, що широко використовуються у медицині.

Ендоскоп – це медичний прилад для огляду внутрішніх порожнин організму (шлунок, пряма кишка тощо); включає 2 світловоди: по одному світло передається в досліджувану порожнину, по іншому повертається світло, що несе зображення.

Лапароскоп – медичний жорсткий ендоскоп, призначений для проведення лапароскопічних діагностичних і операційних маніпуляцій на органах черевної порожнини.

Найбільш поширені лапароскопи з зовнішнім робочим діаметром 5 і 10 мм. Лапароскопічні операції на внутрішніх органах проводять через невеликі (зазвичай 0,5-1,5 см) отвори, тоді як при традиційній хірургії потрібні великі розрізи.

Наступний вектор занять – побудова зображень у лінзах, що є передумовою вивчення оптичної системи ока людини. Розглядається кожний елемент світлопровідної та світлосприймаючої системи ока людини.

В ході заняття стає зрозумілим, як проходить процес адаптації ока та механізми адаптації, як працюють фоторецептори ока людини та які є їхні різновиди, що таке гострота зору людини та від чого вона залежить, що таке роздільна здатність ока людини та чим визначається у термінах медичної фізики гострота зору.

Розглядаються також недоліки оптичної системи ока людини: міопія, гіперметропія, астигматизм та дальтонізм, їх можливі причини виникнення та корекція.

Окремо розглядається питання гігієни зору та режиму дня людини і, зокрема студентства.

Таким чином на занятті просліджується тісний зв’язок чисто фізичного теоретичного матеріалу з медичними проблемами, які у майбутньому буде вирішувати лікар.

Кислотно-основний гомеостаз організму людини

З позицій хімічної термодинаміки одним з факторів забезпечення гомеостазу живого організму є дія мультиферментних систем, тобто специфічних білків-ферментів. Активність ферментів залежить від концентрації катіонів H+ в біологічних рідинах, що визначається величиною водневого показника рН.

Майбутні студенти-медики при вивченні дисципліни «Медична хімія» розглядають кислотно-основний гомеостаз організму – pH біологічних рідин в нормі, вказують на причини відхилення від норми. Наприклад: pH крові в нормі 7,35–7,45. Зміщення рН в кислий бік (зменшення) навіть на 0,1 – патологія, яка в клініці називається «ацидоз». Зміщення рН в лужний бік (збільшення) –патологія, яка має клінічну назву «алкалоз». Студенти відзначають, що ці патології пов’язані з порушеннями в процесах метаболізму (метаболічні ацидоз та алкалоз) або діяльності дихальної системи (дихальні ацидоз та алкалоз). Підкреслюють нагальну необхідність корекції цих станів: «ацидоз» − внутрішньовенне введення розрахованого об’єму 4% розчину гідрокарбонату натрію; «алкалоз» – 5% розчину аскорбінової кислоти.

Не менш важливою біологічною рідиною нашого організму є шлунковий сік. Першокурсники – майбутні лікарі, розуміють наскільки важливою для функціонування всіх систем організму є нормальна робота кишково-шлункового тракту.

Оптимум дії ферменту пепсину, наприклад, який перетравлює білки, при рН=1,5-2,0. Тому нормальною вважають кислотність шлункового соку в межах рН=1,2-3,0. Патологія, при якій рН шлункового соку менше 1,2 в клініці називається «підвищена кислотність шлункового соку»; при рН більше 3 – «знижена кислотність шлункового соку», при рН=6 – «нульова кислотність шлункового соку». Розгляд цього теоретичного питання закріплюється напрацюванням практичних навиків у ході виконання лабораторної роботи «Визначення кислотності шлункового соку». Кожний студент персонально аналізує свою невідому задачу. На основі отриманих даних робить висновок відносно кислотності соку, який аналізувався. При отриманні допуску до виконання лабораторної роботи студенти розглядають склад шлункового соку, звертають увагу на те, як у клініці оцінюють кислотність шлункового соку (клінічні або титриметричні одиниці), якою є нормальна активна і загальна кислотність шлункового соку в клінічних одиницях.

Таким чином, студенти-медики вже з першого курсу готують себе для засвоєння таких дисциплін, як нормальна і патологічна фізіологія, фармакологія, терапія, гастроентерологія, інфекційні хвороби тощо.

Обережно, білки-вбивці!

Життя — це спосіб існування білкових тіл,
суттєвим моментом якого є постійний обмін
речовин  із оточуючою їх зовнішньою природою.>

Ф. Енгельс

 

Білки виконують усі можливі функції у клітині та організмі – від побудови компонентів клітин та каталізу реакцій обміну речовин до підтримання імунітету. Тривалий час вважалося, що білки є лише молекулярними машинами, що тільки реалізовують закладені у послідовностях їхніх амінокислот програми і не здатні передавати будь-які ознаки чи властивості. Однак у 1982 році С. Прузінер відкрив нетипові білки-пріони, які уражають головний мозок людини та інших ссавців і спричиняють невиліковні нейродегенеративні хвороби.

Амінокислотна послідовність пріонів співпадає з такою у нормальних білків клітини, проте вони мають відмінну третинну структуру. Крім того, вони збираються у довгі волокна і змушують нормальні білки змінювати третинну структуру та приєднуватися до цих волокон. У людини та ссавців нестача нормальних білків, необхідних для функціонування нейронів, та накопичення пріонних білкових волокон у головному мозку спричиняють масову загибель нервових клітин та утворення на їх місці порожнин, від чого уражена ділянка мозку стає губчастою. Цілком зрозуміло, що патологічні зміни призводять до порушення функцій головного мозку, у тому числі втрати пам’яті, здатності рухатися та говорити. Інкубаційний період та тривалість хвороб, спричинених інфекційними білками, можуть складати до 50 років. Пріони викликають хворобу Кройцфельда-Якоба, синдром Ге́рстмана-Штро́йслера-Ше́йнкера, фатальне сімейне безсоння та куру у людини, губчастоподібну енцефалопатію великої рогатої худоби («коровячий сказ»), скрепі в овець тощо. Кількість зареєстрованих випадків пріонних хвороб у людини за усю історію не перевищує декількох тисяч, проте це, наймовірніше, зумовлено труднощами диференційної діагностики з іншими нейродегенеративними захворюваннями, зокрема хворобою Альцгеймера.

Незважаючи на те, що існують спадкові форми пріонних хвороб, більшість випадків найбільш поширеної в людини хвороби Кройцфельда-Якоба є набутими. Найчастіше вона спричиняється випадковими змінами єдиної молекули білка в головному мозку людини, що запускає ланцюгову реакцію утворення волокон пріонних білків. В інших випадках пріонні білки надходять з їжею та водою, що містять тканини мозку та продукти виділення хворих людей і тварин, із вдихуваним повітрям і навіть під час медичних втручань. Зокрема, у Західній Європі сотні пацієнтів з карликовістю згодом захворіли на хворобу Кройцфельда-Якоба після уведення недостатньо очищеного гормону росту, а мешканці Великої Британії до 1996 року народження не можуть бути донорами крові через спалах на островах «коров’ячого сказу» у попередні роки. Навіть підвищена температура, обробка ферментами розщеплення білків та зберігання у формаліні не руйнують пріони, тому і вчені, які досліджують пріони, наражаються на підвищену небезпеку інфікування, що зумовило мораторій на експерименти в цій галузі у Франції, починаючи з 2021 року.

Як це не дивно, усі зазначені вище пріонні хвороби людини та ссавців спричинені змінами одного і того ж білка PrP, функції нормальної копії якого у нейронах вивчені недостатньо. Пошук аналогічних білків у інших груп живих організмів виявив, що вони зустрічаються в інших тварин, рослин та дріжджів і є дуже корисними для них. Зокрема, у дрозофіли пріонні білки відповідають за довготривалу пам’ять, а у дріжджів сприяють зчитуванню багатьох генів, посиленню синтезу білка та зберігають історію їхнього «нещасливого кохання». Останнім часом з’явилися припущення щодо виконання пріонами функції імунного захисту, зокрема, не виключено, що їхні волокна утворюють своєрідні капсули навкруги бактерій, які проникли до головного мозку, та ізолюють ці хвороботворні організми. Не виключено, що елементом захисних реакцій організму є й молекули мікроРНК, які уражений пріонами нейрон виробляє, упаковує в мембранні пухирці та надсилає в інші частини організму.

Хоча ми ще не так багато знаємо про пріони, способи лікування пріонних хвороб вже розробляються молекулярними біологами. Зокрема, досліджено вплив редагування гена PRNP, який кодує білок PrP, та додавання мікроРНК й антитіл для попередження неправильного укладання цього білка, однак усі ці роботи було виконано у культурі клітин і їхні клінічні перспективи поки що залишаються нез’ясованими. Та нещодавно виявилося, що одна зі складових кавових зерен – 3,4-диметоксикорична кислота – перешкоджає перетворенню нормального білка PrP на пріонний. Отже, пийте каву на здоров’я!

Буферні системи крові

Одним з найважливіших аспектів гомеостазу організму людини є підтримка постійного значення рН (ізогідрія), що здійснюється буферними системами та фізіологічними механізмами. Буферні системи регулюють концентрацію іонів гідрогену та гідроксид-іонів, а також перебіг реакцій, що залежать від значення величини рН. Буферні розчини – це розчини, які здатні досить стійко зберігати сталість концентрації іонів гідрогену при додаванні до них деякої кількості сильної кислоти або лугу, при розведенні або концентруванні.

В організмі внаслідок метаболізму утворюється багато різних кислот: піровиноградна, молочна, лимонна та інші, які з катіонами створюють буферні системи. Головним джерелом іонів гідрогену в організмі є Н2СО3 (15000 ммоль/добу), який утворюється внаслідок метаболізму, наприклад, декарбоксилювання кислот. Організм людини постійно зазнає навантаження через надлишок іонів гідрогену, що компенсується такими основними буферними системами: гідрокарбонатною, фосфатною, гемоглобіновою, оксигемоглобіновою, білковою. Дія їх в організмі взаємопов’язана і забезпечує постійність рН у крові, клітинах, міжклітинній рідині, плазмі.

Буферні системи крові є буферними системами плазми (гідрокарбонатна, фосфатна, білкова) і еритроцитів (гемоглобінова, гідрокарбонатна, система органічних фосфатів). У результаті обміну речовин в організмі щодобово утворюється кількість кислот, еквівалентна 2,5 л концентрованої HCl. Однак, буферні системи підтримують рН на рівні 7,4 ± 0,05.

Гідрогенкарбонатна буферна система (Н2СО3, NaHCO3) забезпечує приблизно 55% буферної ємності крові, рН гідрогенкарбонатного буфера крові дорівнює 7,40. Кислотно-основний стан крові визначається величиною рН, концентрацією іонів НСО3 і тиском СО2 у крові. Співвідношення у позаклітинній рідині [HCO3] / рCO2 = 20 : 1. Зниження цього показника, тобто зсув у кислий бік, призводить до ацидозу, а підвищення − до алкалозу. Ацидоз трапляється частіше внаслідок утворення іонів гідрогену в процесі метаболізму. У регуляції кислотно-основного стану крові беруть участь і легені. Метаболічні порушення, які часто мають безсимптомний перебіг (ацидоз, алкалоз), спричиняють численні захворювання і потребують клінічного контролю. Респіраторні порушення кислотно-основного стану виникають в результаті зміни СО2, клінічно легко визначаються вимірюванням Р(СО2).

Фосфатна буферна система функціонує у крові та міжклітинній рідині (особливо в нирках). У клітинах вона представлена солями КН2РО4 і К2НРО4, а в плазмі крові та міжклітинній рідині – NaH2PO4 i Na2HPO4. Співвідношення [НРО4 2−] : [Н2РО4 ]= 4 : 1.

Білкова буферна система є амфотерною, оскільки до складу білка входять α-амінокислоти, які містять кислотні групи (-СООН) і основні групи (-NH2). Білки і гемоглобін є полівалентними аніонами і зсувають рН крові в лужний бік (рН крові 7,36 у нормі). Роль білкової буферної системи в крові дуже незначна.

Гемоглобін-оксигемоглобінова буферна система функціонує в еритроцитах з бікарбонатною буферною системою. Ця система представлена підсистемами – HHb/HНbО2, KНb/HНb, KНbО2/HНbО2. Оксигемоглобін ННbО2 є більш сильною кислотою, ніж HHb. В еритроцитах периферичних тканин КНbО2 віддає кисень, який дифундує в тканини, та іон К+. Після цього Нb приєднує Н+, який вивільняється при дисоціації вугільної кислоти і перетворюється на ННb. Іони калію взаємодіють з гідрокарбонатом, який утворився з Н2СО3.

У венозній крові, яка спрямовується до легень, містяться еритроцити з відновленим гемоглобіном. У легенях із ННb утворюється HНbО2. Крім того, в тканинах легень внаслідок виділення великої кількості СО2 спостерігається надлишок аніонів НСО3, тому є загроза зміщення рН у лужний бік. Цього не відбувається тому, що аніони НСО3 транспортуються в еритроцити та перетворюються в КНСО3. При взаємодії КНСО3 з HНbО2 формується KНbО2 та Н2СО3. Далі вугільна кислота під дією карбоангідрази дисоціює на Н2О та СО2.  Вуглекислота виділяється при видиханні через легені. Таким чином, функціонування гемоглобінової буферної системи пов’язано з основною функцією гемоглобіну, а саме з транспортом кисню. Важливо те, що гемоглобінова буферна система взаємодіє з бікарбонатною системою, яка є основним лужним резервом крові. У тканинних капілярах взаємодія гемоглобіну з Н2СО3 приводить до збереження гідрокарбонатів, що забезпечує лужний резерв крові.