Anatomie und Physiologie I (Deutsch)

Die Substanz des Universums—vom Sandkorn bis zum Stern—heißt Materie., Wissenschaftler definieren Materie als alles, was Raum einnimmt und Masse hat. Die Masse und das Gewicht eines Objekts sind verwandte Konzepte, aber nicht ganz gleich. Die Masse eines Objekts ist die Menge an Materie, die in dem Objekt enthalten ist, und die Masse des Objekts ist die gleiche, unabhängig davon, ob sich dieses Objekt auf der Erde oder in der Schwerelosigkeit des Weltraums befindet. Das Gewicht eines Objekts hingegen ist seine Masse, die durch den Zug der Schwerkraft beeinflusst wird. Wo die Schwerkraft stark an der Masse eines Objekts zieht, ist sein Gewicht größer als dort, wo die Schwerkraft weniger stark ist., Ein Objekt einer bestimmten Masse wiegt zum Beispiel weniger auf dem Mond als auf der Erde, weil die Schwerkraft des Mondes geringer ist als die der Erde. Mit anderen Worten, das Gewicht ist variabel und wird durch die Schwerkraft beeinflusst. Ein Stück Käse, das ein Pfund auf der Erde wiegt, wiegt nur ein paar Unzen auf dem Mond.

Elemente und Verbindungen

Alle Materie in der natürlichen Welt besteht aus einer oder mehreren der 92 Grundstoffe, die als Elemente bezeichnet werden., Ein Element ist eine reine Substanz, die sich von allen anderen Materie dadurch unterscheidet, dass sie nicht mit gewöhnlichen chemischen Mitteln erzeugt oder abgebaut werden kann. Während Ihr Körper viele der für das Leben benötigten chemischen Verbindungen aus ihren Bestandteilen zusammensetzen kann, kann er keine Elemente herstellen. Sie müssen aus der Umwelt kommen. Ein bekanntes Beispiel für ein Element, das Sie aufnehmen müssen, ist Calcium (Ca++). Kalzium ist wichtig für den menschlichen Körper; Es wird absorbiert und für eine Reihe von Prozessen verwendet, einschließlich der Stärkung der Knochen., Wenn Sie Milchprodukte konsumieren, zerlegt Ihr Verdauungssystem die Nahrung in Komponenten, die klein genug sind, um in den Blutkreislauf zu gelangen. Unter diesen ist Kalzium, das, weil es ein Element ist, nicht weiter abgebaut werden kann. Das elementare Kalzium in Käse ist daher das gleiche wie das Kalzium, das Ihre Knochen bildet. Einige andere Elemente, die Sie vielleicht kennen, sind Sauerstoff, Natrium und Eisen. Die Elemente im menschlichen Körper sind in Tabelle 1 dargestellt, beginnend mit den am häufigsten vorkommenden: Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Stickstoff (N)., Der Name jedes Elements kann durch ein Ein – oder Zwei-Buchstaben-Symbol ersetzt werden; Einige davon werden Sie in diesem Kurs kennenlernen. Alle Elemente in Ihrem Körper stammen aus den Nahrungsmitteln, die Sie essen, und der Luft, die Sie atmen.

In der Natur treten Elemente selten alleine auf. Stattdessen verbinden sie sich zu Verbindungen. Eine Verbindung ist eine Substanz, die aus zwei oder mehr Elementen besteht, die durch chemische Bindungen verbunden sind. Zum Beispiel ist die Verbindung Glukose ein wichtiger Körperbrennstoff. Es besteht immer aus den gleichen drei Elementen: Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff., Darüber hinaus treten die Elemente, aus denen eine bestimmte Verbindung besteht, immer in den gleichen relativen Mengen auf. In Glukose gibt es immer sechs Kohlenstoff-und sechs Sauerstoffeinheiten pro zwölf Wasserstoffeinheiten. Aber was genau sind diese“ Einheiten “ von Elementen?

Atome und subatomare Teilchen

Ein Atom ist die kleinste Größe eines Elements, das die einzigartigen Eigenschaften dieses Elements beibehält. Mit anderen Worten, ein Atom Wasserstoff ist eine Einheit Wasserstoff—die kleinste Menge Wasserstoff, die existieren kann. Wie Sie sich vorstellen können, sind Atome fast unergründlich klein., Die Periode am Ende dieses Satzes ist Millionen von Atomen breit.

Atomare Struktur und Energie

Atome bestehen aus noch kleineren subatomaren Teilchen, von denen drei Arten wichtig sind: das Proton, das Neutron und das Elektron. Die Anzahl der positiv geladenen Protonen und nicht geladenen („neutralen“) Neutronen gibt dem Atom Masse, und die Anzahl von jedem im Kern des Atoms bestimmt das Element. Die Anzahl der negativ geladenen Elektronen, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit um den Kern „drehen“, entspricht der Anzahl der Protonen., Ein Elektron hat etwa 1 / 2000th die Masse eines Protons oder Neutrons.

Abbildung 1 zeigt zwei Modelle, mit denen Sie sich die Struktur eines Atoms vorstellen können—in diesem Fall Helium (He). Im Planetenmodell werden die beiden Elektronen von Helium gezeigt, die den Kern in einer festen Umlaufbahn umkreisen, die als Ring dargestellt ist. Obwohl dieses Modell bei der Visualisierung der atomaren Struktur hilfreich ist, bewegen sich Elektronen in Wirklichkeit nicht in festen Bahnen, sondern umrunden den Kern unregelmäßig in einer sogenannten Elektronenwolke.

Abbildung 1. Zwei Modelle der atomaren Struktur., (a) Im Planetenmodell werden die Elektronen von Helium in festen Bahnen dargestellt, die als Ringe dargestellt sind, in einem genauen Abstand vom Kern, ähnlich wie Planeten, die die Sonne umkreisen. (b) Im Elektronenwolkenmodell werden die Elektronen von Kohlenstoff in der Vielzahl von Orten gezeigt, die sie im Laufe der Zeit in unterschiedlichen Abständen vom Kern haben würden.

Protonen und Elektronen eines Atoms tragen elektrische Ladungen. Protonen mit ihrer positiven Ladung werden als p+bezeichnet. Elektronen, die eine negative Ladung haben, werden als e–bezeichnet. Die Neutronen eines Atoms haben keine Ladung: Sie sind elektrisch neutral., So wie ein Magnet an einem Stahlkühlschrank haftet, weil sich seine entgegengesetzten Ladungen anziehen, ziehen die positiv geladenen Protonen die negativ geladenen Elektronen an. Diese gegenseitige Anziehung verleiht dem Atom eine gewisse strukturelle Stabilität. Die Anziehungskraft durch den positiv geladenen Kern hilft, Elektronen davon abzuhalten, weit zu verirren. Die Anzahl der Protonen und Elektronen innerhalb eines neutralen Atoms ist gleich, daher ist die Gesamtladung des Atoms ausgeglichen.

Ordnungszahl und Massenzahl

Ein Kohlenstoffatom ist einzigartig für Kohlenstoff, ein Kohlenstoffproton jedoch nicht., Ein Proton ist das gleiche wie ein anderes, sei es in einem Atom aus Kohlenstoff, Natrium (Na) oder Eisen (Fe). Gleiches gilt für Neutronen und Elektronen. Was verleiht einem Element seine unverwechselbaren Eigenschaften—was unterscheidet Kohlenstoff so von Natrium oder Eisen? Die Antwort ist die eindeutige Menge an Protonen, die jedes enthält. Kohlenstoff ist per Definition ein Element, dessen Atome sechs Protonen enthalten. Kein anderes Element hat genau sechs Protonen in seinen Atomen. Darüber hinaus enthalten alle Kohlenstoffatome, ob in Ihrer Leber oder in einem Kohleklumpen, sechs Protonen., Somit identifiziert die Ordnungszahl, die die Anzahl der Protonen im Kern des Atoms ist, das Element. Da ein Atom normalerweise die gleiche Anzahl von Elektronen wie Protonen hat, identifiziert die Ordnungszahl auch die übliche Anzahl von Elektronen.

In ihrer gebräuchlichsten Form enthalten viele Elemente auch die gleiche Anzahl von Neutronen wie Protonen. Die häufigste Form von Kohlenstoff hat beispielsweise sechs Neutronen sowie sechs Protonen für insgesamt 12 subatomare Teilchen in seinem Kern. Die Massenzahl eines Elements ist die Summe der Anzahl der Protonen und Neutronen in seinem Kern., Die häufigste Form der Massenzahl von Kohlenstoff ist also 12. (Elektronen haben so wenig Masse, dass sie nicht nennenswert zur Masse eines Atoms beitragen.) Kohlenstoff ist ein relativ leichtes Element. Uran (U) hat dagegen eine Massenzahl von 238 und wird als Schwermetall bezeichnet. Seine Ordnungszahl ist 92 (es hat 92 Protonen), aber es enthält 146 Neutronen; es hat die meiste Masse aller natürlich vorkommenden Elemente.,

Das Periodensystem der Elemente, gezeigt in Abbildung 2, ist ein Diagramm, das die 92 Elemente identifiziert, die in der Natur gefunden wurden, sowie mehrere größere, instabile Elemente, die experimentell entdeckt wurden. Die Elemente sind in der Reihenfolge ihrer Ordnungszahl angeordnet, wobei Wasserstoff und Helium oben in der Tabelle und die massiveren Elemente unten stehen. Das Periodensystem ist ein nützliches Gerät, da es für jedes Element das chemische Symbol, die Ordnungszahl und die Massenzahl identifiziert und Elemente entsprechend ihrer Reaktionsfähigkeit mit anderen Elementen organisiert., Die Anzahl der Protonen und Elektronen in einem Element ist gleich. Die Anzahl der Protonen und Neutronen kann für einige Elemente gleich sein, ist aber nicht für alle gleich.

Abbildung 2. Das Periodensystem der Elemente. (credit: R. A. Dragoset, A. Musgrove, C. W. Clark, W. C. Martin)

Isotope

Obwohl jedes Element eine eindeutige Anzahl von Protonen hat, kann es als verschiedene Isotope existieren. Ein Isotop ist eine der verschiedenen Formen eines Elements, die sich durch unterschiedliche Anzahl von Neutronen voneinander unterscheiden. Das Standardisotop von Kohlenstoff ist 12C, allgemein Kohlenstoff zwölf genannt. 12C hat sechs Protonen und sechs Neutronen für eine Massenzahl von zwölf., Alle Isotope von Kohlenstoff haben die gleiche Anzahl von Protonen; Daher hat 13C sieben Neutronen und 14C acht Neutronen. Die verschiedenen Isotope eines Elements können auch mit der Massenzahl getrennt angegeben werden (z. B. C-12 anstelle von 12C). Wasserstoff hat drei gemeinsame Isotope, wie in Abbildung 3 gezeigt.

Abbildung 3. Isotope von Wasserstoff. Protium, bezeichnet 1H, hat ein proton und keine Neutronen. Es ist bei weitem das häufigste Isotop von Wasserstoff in der Natur. Deuterium, bezeichnet 2H, hat ein proton und ein neutron., Tritium, bezeichnet 3H, hat zwei Neutronen.

Ein Isotop, das mehr als die übliche Anzahl von Neutronen enthält, wird als schweres Isotop bezeichnet. Ein Beispiel ist 14C. Schwere Isotope neigen dazu, instabil zu sein, und instabile Isotope sind radioaktiv. Ein radioaktives Isotop ist ein Isotop, dessen Kern leicht zerfällt und subatomare Partikel und elektromagnetische Energie abgibt. Verschiedene radioaktive Isotope (auch Radioisotope genannt) unterscheiden sich in ihrer Halbwertszeit, der Zeit, die für den Zerfall der Hälfte einer beliebigen Größe Probe eines Isotops dauert., Zum Beispiel beträgt die Halbwertszeit von Tritium—einem Radioisotop von Wasserstoff-etwa 12 Jahre, was darauf hinweist, dass es 12 Jahre dauert, bis die Hälfte der Tritiumkerne in einer Probe zerfällt. Eine übermäßige Exposition gegenüber radioaktiven Isotopen kann menschliche Zellen schädigen und sogar Krebs und Geburtsfehler verursachen, aber wenn die Exposition kontrolliert wird, können einige radioaktive Isotope in der Medizin nützlich sein. Weitere Informationen finden Sie unter Karriere-Verbindungen.

Karriereverbindung: Interventioneller Radiologe

Der kontrollierte Einsatz von Radioisotopen hat die medizinische Diagnose und Behandlung von Krankheiten vorangetrieben., Interventionelle Radiologen sind Ärzte, die Krankheiten mit minimalinvasiven Strahlentechniken behandeln. Viele Zustände, die einst nur mit einer langwierigen und traumatischen Operation behandelt werden konnten, können jetzt nicht chirurgisch behandelt werden, was die Kosten, Schmerzen, die Dauer des Krankenhausaufenthalts und die Genesungszeit für Patienten reduziert. Zum Beispiel waren in der Vergangenheit die einzigen Optionen für einen Patienten mit einem oder mehreren Tumoren in der Leber Operationen und Chemotherapie (die Verabreichung von Medikamenten zur Behandlung von Krebs)., Einige Lebertumoren sind jedoch chirurgisch schwer zugänglich, und andere könnten erfordern, dass der Chirurg zu viel von der Leber entfernt. Darüber hinaus ist die Chemotherapie für die Leber hochgiftig und bestimmte Tumoren reagieren ohnehin nicht gut darauf. In einigen solchen Fällen kann ein interventioneller Radiologe die Tumore behandeln, indem er ihre Blutversorgung unterbricht, die sie benötigen, um weiter zu wachsen. Bei diesem als Radioembolisation bezeichneten Verfahren greift der Radiologe mit einer feinen Nadel durch eines der Blutgefäße des Patienten auf die Leber zu., Der Radiologe fügt dann winzige radioaktive „Samen“ in die Blutgefäße ein, die die Tumore versorgen. In den Tagen und Wochen nach dem Eingriff zerstört die von den Samen emittierte Strahlung die Gefäße und tötet direkt die Tumorzellen in der Nähe der Behandlung ab.

Radioisotope emittieren subatomare Teilchen, die durch bildgebende Technologien detektiert und verfolgt werden können., Eine der fortschrittlichsten Anwendungen von Radioisotopen in der Medizin ist der Positronenemissionstomographie-Scanner (PET), der die Aktivität einer sehr kleinen Injektion radioaktiver Glukose im Körper erkennt, dem einfachen Zucker, den Zellen für Energie verwenden. Die PET-Kamera zeigt dem medizinischen Team, welches Gewebe des Patienten die meiste Glukose aufnimmt. Somit zeigen sich die metabolisch aktivsten Gewebe als helle „Hot Spots“ auf den Bildern (Abbildung 4). PET kann einige Krebsmassen aufdecken, da Krebszellen Glukose mit hoher Geschwindigkeit verbrauchen, um ihre schnelle Fortpflanzung anzutreiben.,

Abbildung 4. Ein PET-Scan. PET hebt Bereiche im Körper hervor, in denen ein relativ hoher Glukoseverbrauch vorliegt, was für Krebsgewebe charakteristisch ist. Dieser PET-Scan zeigt Stellen der Ausbreitung eines großen Primärtumors auf andere Stellen.

Das Verhalten von Elektronen

Im menschlichen Körper existieren Atome nicht als unabhängige Entitäten. Vielmehr reagieren sie ständig mit anderen Atomen, um komplexere Substanzen zu bilden und abzubauen., Um Anatomie und Physiologie vollständig zu verstehen, müssen Sie verstehen, wie Atome an solchen Reaktionen teilnehmen. Der Schlüssel ist das Verhalten von Elektronen zu verstehen.

Obwohl Elektronen nicht starren Bahnen in einem festgelegten Abstand vom Atomkern folgen, neigen sie dazu, in bestimmten Regionen des Raums zu bleiben, die als Elektronenschalen bezeichnet werden. Eine Elektronenhülle ist eine Schicht von Elektronen, die den Kern auf einem bestimmten Energieniveau umkreisen.,

Die Atome der im menschlichen Körper gefundenen Elemente haben eine bis fünf Elektronenschalen, und alle Elektronenschalen enthalten acht Elektronen mit Ausnahme der ersten Schale, die nur zwei enthalten kann. Diese Konfiguration von Elektronenschalen ist für alle Atome gleich. Die genaue Anzahl der Schalen hängt von der Anzahl der Elektronen im atom. Wasserstoff und Helium haben jeweils nur ein bzw. zwei Elektronen., Wenn Sie sich das Periodensystem der Elemente ansehen, werden Sie feststellen, dass Wasserstoff und Helium allein auf beiden Seiten der oberen Reihe angeordnet sind; Sie sind die einzigen Elemente, die nur eine Elektronenhülle haben (Abbildung 5). Eine zweite Schale ist notwendig, um die Elektronen in allen Elementen größer als Wasserstoff und Helium zu halten.

Abbildung 5. Elektronenschalen. Elektronen umkreisen den Atomkern auf unterschiedlichen Energieniveaus, die als Elektronenschalen bezeichnet werden. (a) Mit einem Elektron füllt Wasserstoff nur halb seine Elektronenhülle., Helium hat auch eine einzige Schale, aber seine zwei Elektronen füllen es vollständig. (b)Die Elektronen des Kohlenstoffs füllen vollständig seine erste Elektronenhülle, aber nur die Hälfte füllt seine zweite. (c) Neon, ein Element, das nicht im Körper vorkommt, hat 10 Elektronen, die beide Elektronenschalen füllen.

Lithium (Li), dessen Ordnungszahl 3 ist, hat drei Elektronen. Zwei davon füllen die erste Elektronenhülle, und die dritte verschüttet in eine zweite Schale. Die zweite Elektronenhülle kann bis zu acht Elektronen aufnehmen., Kohlenstoff, mit seinen sechs Elektronen, füllt vollständig seine erste Schale, und die Hälfte-füllt seine zweite. Mit zehn Elektronen füllt Neon (Ne) seine beiden Elektronenschalen vollständig aus. Auch hier zeigt ein Blick auf das Periodensystem, dass alle Elemente in der zweiten Reihe, von Lithium bis Neon, nur zwei Elektronenschalen haben. Atome mit mehr als zehn Elektronen benötigen mehr als zwei Schalen. Diese Elemente belegen die dritte und nachfolgende Zeile des Periodensystems.

Der Faktor, der die Tendenz eines Atoms zur Teilnahme an chemischen Reaktionen am stärksten bestimmt, ist die Anzahl der Elektronen in seiner Valenzschale., Eine Valenzschale ist die äußerste Elektronenhülle eines Atoms. Wenn die Valenzschale voll ist, ist das Atom stabil; Es ist unwahrscheinlich, dass seine Elektronen durch die elektrische Ladung anderer Atome vom Kern weggezogen werden. Wenn die Valenzschale nicht voll ist, ist das Atom reaktiv; was bedeutet, dass es dazu neigt, mit anderen Atomen auf eine Weise zu reagieren, die die Valenzschale voll macht. Betrachten Sie Wasserstoff, dessen ein Elektron seine Valenzschale nur halb füllt. Dieses einzelne Elektron wird wahrscheinlich in Beziehungen zu den Atomen anderer Elemente gezogen, so dass die Einzelvalenzhülle von Wasserstoff stabilisiert werden kann.,

Alle Atome (außer Wasserstoff und Helium mit ihren Einzelelektronenschalen) sind am stabilsten, wenn sich genau acht Elektronen in ihrer Valenzschale befinden. Dieses Prinzip wird als Oktettregel bezeichnet und besagt, dass ein Atom Elektronen mit einem anderen Atom aufgibt, gewinnt oder teilt, so dass es acht Elektronen in seiner eigenen Valenzschale hat. Zum Beispiel reagiert Sauerstoff mit sechs Elektronen in seiner Valenzhülle wahrscheinlich so mit anderen Atomen, dass zwei Elektronen zur Valenzschale von Sauerstoff hinzugefügt werden, wodurch die Zahl auf acht erhöht wird., Wenn zwei Wasserstoffatome jeweils ihr einzelnes Elektron mit Sauerstoff teilen, bilden sich kovalente Bindungen, die zu einem Molekül Wasser, H2O, führen.

In der Natur neigen Atome eines Elements dazu, sich auf charakteristische Weise mit Atomen anderer Elemente zu verbinden. Zum Beispiel füllt Kohlenstoff üblicherweise seine Valenzhülle, indem er sich mit vier Atomen Wasserstoff verbindet. Dabei bilden die beiden Elemente die einfachsten organischen Moleküle, Methan, das auch eine der am häufigsten vorkommenden und stabilsten kohlenstoffhaltigen Verbindungen der Erde ist. Wie oben erwähnt, ist ein anderes Beispiel Wasser; Sauerstoff benötigt zwei Elektronen, um seine Valenzschale zu füllen., Es interagiert häufig mit zwei Wasserstoffatomen und bildet H2O. Übrigens spiegelt der Name „Wasserstoff“ seinen Beitrag zum Wasser wider (hydro- = „Wasser“; -gen = „maker“). Somit ist Wasserstoff der “ Wassermacher.”