anatomi och fysiologi i (Svenska)

universums substans—från ett sandkorn till en stjärna—kallas Materia., Forskare definierar materia som allt som upptar utrymme och har massa. Ett objekts massa och dess vikt är relaterade begrepp, men inte riktigt detsamma. Ett objekts massa är mängden materia som finns i objektet, och objektets massa är densamma oavsett om det objektet är på jorden eller i yttre rymdens tyngdlösningsmiljö. Ett objekts vikt är å andra sidan dess massa som påverkas av tyngdkraften. Där gravitationen drar starkt på ett objekts massa är dess vikt större än den är där gravitationen är mindre stark., Ett föremål för en viss massa väger mindre på månen, till exempel än det gör på jorden eftersom månens gravitation är mindre än jordens. Med andra ord är vikten variabel och påverkas av gravitationen. En bit ost som väger ett pund på jorden väger bara några uns på månen.

element och föreningar

all materia i den naturliga världen består av en eller flera av de 92 grundläggande ämnen som kallas element., Ett element är ett rent ämne som skiljer sig från allt annat genom att det inte kan skapas eller brytas ned med vanliga kemiska medel. Medan din kropp kan montera många av de kemiska föreningar som behövs för livet från deras beståndsdelar, kan det inte göra element. De måste komma från miljön. Ett välbekant exempel på ett element som du måste ta in är kalcium (Ca++). Kalcium är viktigt för människokroppen; det absorberas och används för ett antal processer, inklusive förstärkning av ben., När du konsumerar mejeriprodukter bryter matsmältningssystemet ner maten i komponenter som är tillräckligt små för att korsa in i blodomloppet. Bland dessa är kalcium, som, eftersom det är ett element, inte kan brytas ner ytterligare. Det elementära kalcium i ost är därför detsamma som det kalcium som bildar dina ben. Några andra element som du kanske känner till är syre, natrium och järn. Elementen i människokroppen visas i Tabell 1, som börjar med den mest rikliga: syre (O), kol (C), väte (H) och kväve (N)., Varje Elements namn kan ersättas med en en-eller tvåbokstavssymbol; du kommer att bli bekant med några av dessa under denna kurs. Alla element i din kropp härrör från de livsmedel du äter och luften du andas.

i naturen förekommer element sällan ensamma. I stället kombinerar de för att bilda föreningar. En förening är ett ämne som består av två eller flera element förenade med kemiska bindningar. Till exempel är föreningen glukos ett viktigt kroppsbränsle. Den består alltid av samma tre element: kol, väte och syre., Dessutom förekommer de element som utgör en viss förening alltid i samma relativa mängder. I glukos finns det alltid sex kol – och sex syreenheter för varje tolv väteenheter. Men vad exakt är dessa ”enheter” av element?

atomer och subatomiska partiklar

en atom är den minsta mängden av ett element som behåller de unika egenskaperna hos det elementet. Med andra ord är en väteatom en väteenhet-den minsta mängd väte som kan existera. Som du kanske gissar är atomer nästan outgrundliga små., Perioden i slutet av denna mening är miljontals atomer breda.

atomstruktur och energi

atomer består av ännu mindre subatomiska partiklar, varav tre typer är viktiga: proton, neutron och elektron. Antalet positivt laddade protoner och icke-laddade (”neutrala”) neutroner ger massa till atomen, och antalet av var och en i atomens kärna bestämmer elementet. Antalet negativt laddade elektroner som ”snurrar” runt kärnan vid nära ljusets hastighet motsvarar antalet protoner., En elektron har ungefär 1/2000: e massan av en proton eller neutron.

Figur 1 visar två modeller som kan hjälpa dig att föreställa dig strukturen hos en atom—i det här fallet helium (He). I den planetariska modellen visas Heliums två elektroner som cirklar kärnan i en fast bana avbildad som en ring. Även om denna modell är till hjälp för att visualisera atomstruktur, reser elektroner i verkligheten inte i fasta banor, men whiz runt kärnan oregelbundet i ett så kallat elektronmoln.

Figur 1. Två modeller av atomstruktur., (a) i den planetariska modellen visas Heliums elektroner i fasta banor, avbildade som ringar, på ett exakt avstånd från kärnan, något som planeter som kretsar kring solen. b) i elektronmolnmodellen visas kolens elektroner på de olika platser de skulle ha på olika avstånd från kärnan över tiden.

en atoms protoner och elektroner bär elektriska laddningar. Protoner, med sin positiva laddning, betecknas p+. Elektroner, som har en negativ laddning, betecknas e -. En atoms neutroner har ingen laddning: de är elektriskt neutrala., Precis som en magnet sticker till ett stål kylskåp eftersom deras motsatta laddningar lockar, lockar de positivt laddade protonerna de negativt laddade elektronerna. Denna ömsesidiga attraktion ger atomen viss strukturell stabilitet. Attraktionen av den positivt laddade kärnan hjälper till att hålla elektroner från att avvika långt. Antalet protoner och elektroner inom en neutral atom är lika, sålunda är atomens totala laddning balanserad.

atomnummer och massnummer

en atom av kol är unik för KOL, men en proton av kol är inte., En proton är densamma som en annan, oavsett om den finns i en atom av kol, natrium (Na) eller järn (Fe). Detsamma gäller för neutroner och elektroner. Så, vad ger ett element dess särdrag-vad gör kol så annorlunda än natrium eller järn? Svaret är den unika mängden protoner som varje innehåller. Kol per definition är ett element vars atomer innehåller sex protoner. Inget annat element har exakt sex protoner i sina atomer. Dessutom innehåller alla atomer av kol, oavsett om de finns i din lever eller i en kolklump, sex protoner., Således identifierar atomnumret, vilket är antalet protoner i atomens kärna, elementet. Eftersom en atom vanligtvis har samma antal elektroner som protoner, identifierar atomnumret det vanliga antalet elektroner också.

i sin vanligaste form innehåller många element också samma antal neutroner som protoner. Den vanligaste formen av kol, till exempel, har sex neutroner samt sex protoner, för totalt 12 subatomiska partiklar i dess kärna. Ett Elements massnummer är summan av antalet protoner och neutroner i dess kärna., Så den vanligaste formen av KOLS massnummer är 12. (Elektroner har så liten massa att de inte märkbart bidrar till massan av en atom.) Kol är ett relativt lätt element. Uran (U) har däremot ett massatal på 238 och kallas tungmetall. Dess atomnummer är 92 (det har 92 protoner) men det innehåller 146 neutroner; det har den mest massan av alla naturligt förekommande element.,

det periodiska systemet för elementen, som visas i Figur 2, är ett diagram som identifierar de 92 element som finns i naturen, liksom flera större, instabila element som upptäckts experimentellt. Elementen är ordnade i ordning efter deras atomnummer, med väte och helium på toppen av bordet och de mer massiva elementen nedan. Det periodiska systemet är en användbar enhet eftersom det för varje element identifierar den kemiska symbolen, atomnumret och massnumret, samtidigt som man organiserar element enligt deras benägenhet att reagera med andra element., Antalet protoner och elektroner i ett element är lika. Antalet protoner och neutroner kan vara lika för vissa element, men är inte lika för alla.

Figur 2. Det periodiska systemet av elementen. (foto: R. A. Dragoset, A. Musgrove, C. Clark, W. C. Martin)

isotoper

även om varje element har ett unikt antal protoner kan det existera som olika isotoper. En isotop är en av de olika formerna av ett element, skiljer sig från varandra med olika antal neutroner. Standard isotop av kol är 12C, vanligen kallad kol tolv. 12C har sex protoner och sex neutroner, för ett massnummer av tolv., Alla isotoper av KOL har samma antal protoner; därför har 13C sju neutroner och 14C har åtta neutroner. De olika isotoperna av ett element kan också anges med massantalet bindestreck (till exempel C-12 istället för 12C). Väte har tre vanliga isotoper, som visas i Figur 3.

Figur 3. Isotoper av väte. Protium, utsedd 1H, har en proton och inga neutroner. Det är överlägset den mest rikliga isotopen av väte i naturen. Deuterium, betecknad 2H, har en proton och en neutron., Tritium, utsedd 3H, har två neutroner.

en isotop som innehåller mer än det vanliga antalet neutroner kallas en tung isotop. Ett exempel är 14C. tunga isotoper tenderar att vara instabila och instabila isotoper är radioaktiva. En radioaktiv isotop är en isotop vars kärna lätt sönderfaller, avger subatomiska partiklar och elektromagnetisk energi. Olika radioaktiva isotoper (även kallade radioisotoper) skiljer sig åt i deras halveringstid, den tid det tar för hälften av varje storleksprov av en isotop att förfalla., Till exempel är halveringstiden för tritium-ett radioisotop av väte—cirka 12 år, vilket indikerar att det tar 12 år för hälften av tritiumkärnorna i ett prov att förfallna. Överdriven exponering för radioaktiva isotoper kan skada mänskliga celler och till och med orsaka cancer och fosterskador, men när exponeringen kontrolleras kan vissa radioaktiva isotoper vara användbara i medicin. För mer information, se Karriärförbindelserna.

Karriäranslutning: interventionell radiolog

den kontrollerade användningen av radioisotoper har avancerad medicinsk diagnos och behandling av sjukdomar., Interventionella radiologer är läkare som behandlar sjukdom genom att använda minimalt invasiva tekniker som involverar strålning. Många tillstånd som en gång bara kan behandlas med en lång och traumatisk operation kan nu behandlas icke-kirurgiskt, vilket minskar kostnaden, smärtan, längden på sjukhusvistelsen och återhämtningstiden för patienterna. Till exempel tidigare var de enda alternativen för en patient med en eller flera tumörer i levern kirurgi och kemoterapi (administrering av läkemedel för att behandla cancer)., Vissa levertumörer är dock svåra att komma åt kirurgiskt, och andra kan kräva att kirurgen tar bort för mycket av levern. Dessutom är kemoterapi mycket giftigt för levern, och vissa tumörer svarar inte bra på det ändå. I vissa sådana fall kan en interventionell radiolog behandla tumörerna genom att störa deras blodtillförsel, vilket de behöver om de ska fortsätta att växa. I denna procedur, kallad radioembolisering, kommer radiologen åt levern med en fin nål, gängad genom en av patientens blodkärl., Radiologen sätter sedan in små radioaktiva ”frön” i blodkärlen som levererar tumörerna. Under dagarna och veckorna efter proceduren förstör strålningen från fröna kärlen och dödar direkt tumörcellerna i närheten av behandlingen.

radioisotoper avger subatomiska partiklar som kan detekteras och spåras av bildteknik., En av de mest avancerade användningarna av radioisotoper i medicin är positron emission tomography (PET) scanner, som detekterar aktiviteten i kroppen av en mycket liten injektion av radioaktivt glukos, den enkla socker som celler använder för energi. PET-kameran avslöjar för det medicinska laget vilken av patientens vävnader som tar upp mest glukos. Således uppträder de mest metaboliskt aktiva vävnaderna som ljusa ”heta fläckar” på bilderna (Figur 4). PET kan avslöja vissa cancermassor eftersom cancerceller konsumerar glukos i hög takt för att bränna sin snabba reproduktion.,

Figur 4. PET-Scan. PET belyser områden i kroppen där det finns relativt hög glukosanvändning, vilket är karakteristiskt för cancervävnad. Denna PET-skanning visar platser för spridningen av en stor primär tumör till andra platser.

elektronernas beteende

i människokroppen existerar inte atomer som oberoende enheter. Snarare reagerar de ständigt med andra atomer för att bilda och bryta ner mer komplexa ämnen., För att fullt ut förstå anatomi och fysiologi måste du förstå hur atomer deltar i sådana reaktioner. Nyckeln är att förstå elektronernas beteende.

även om elektroner inte följer stela banor ett visst avstånd från atomens kärna, tenderar de att stanna inom vissa områden av rymden som kallas elektronskal. Ett elektronskal är ett lager av elektroner som omger kärnan på en distinkt energinivå.,

atomerna i elementen som finns i människokroppen har från ett till fem elektronskal, och alla elektronskal håller åtta elektroner utom det första skalet, som bara kan hålla två. Denna konfiguration av elektronskal är densamma för alla atomer. Det exakta antalet skal beror på antalet elektroner i atomen. Väte och helium har bara en respektive två elektroner., Om du tittar på elementets periodiska tabell kommer du att märka att väte och helium placeras ensam på vardera sidan av den övre raden; de är de enda elementen som bara har ett elektronskal (Figur 5). Ett andra skal är nödvändigt för att hålla elektronerna i alla element större än väte och helium.

Figur 5. elektronskal. Elektroner omloppsbana atomkärnan på olika nivåer av energi som kallas elektron skal. A) med en elektron fyller väte bara hälften av sitt elektronskal., Helium har också ett enda skal, men dess två elektroner fyller det helt. B) kolens elektroner fyller helt sitt första elektronskal, men bara hälften fyller sitt andra. (C) Neon, ett element som inte förekommer i kroppen, har 10 elektroner, fyller båda sina elektronskal.

litium (Li), vars atomnummer är 3, har tre elektroner. Två av dessa fyller det första elektronskalet och det tredje spiller över i ett andra skal. Det andra elektronskalet rymmer så många som åtta elektroner., Kol, med sina sex elektroner, fyller helt sitt första skal och fyller hälften sin andra. Med tio elektroner fyller neon (Ne) helt sina två elektronskal. Återigen visar en titt på det periodiska bordet att alla element i andra raden, från Litium till neon, bara har två elektronskal. Atomer med mer än tio elektroner kräver mer än två skal. Dessa element upptar de tredje och efterföljande raderna i det periodiska bordet.

den faktor som starkast styr tendensen hos en atom att delta i kemiska reaktioner är antalet elektroner i sitt valensskal., Ett valensskal är en atoms yttersta elektronskal. Om valenskalet är fullt är atomen stabil; vilket betyder att dess elektroner sannolikt inte kommer att dras bort från kärnan genom den elektriska laddningen av andra atomer. Om valenskalet inte är fullt är atomen reaktiv; vilket betyder att det tenderar att reagera med andra atomer på sätt som gör valenskalet fullt. Tänk på väte, med sin en elektron bara hälften-fyller sitt valensskal. Denna enda elektron kommer sannolikt att dras in i relationer med atomer av andra element, så att väteens enda valensskalet kan stabiliseras.,

alla atomer (utom väte och helium med sina enda elektronskal) är mest stabila när det finns exakt åtta elektroner i deras valensskalet. Denna princip kallas oktettregeln, och det står att en atom kommer att ge upp, vinna eller dela elektroner med en annan atom så att den slutar med åtta elektroner i sitt eget valensskal. Till exempel är syre, med sex elektroner i sitt valensskal, sannolikt att reagera med andra atomer på ett sätt som resulterar i tillsats av två elektroner till syrevalensskal, vilket ger numret till åtta., När två väteatomer vardera delar sin enda elektron med syre bildas kovalenta bindningar, vilket resulterar i en molekyl vatten, H2O.

i naturen tenderar atomer av ett element att ansluta sig till atomer av andra element på karakteristiska sätt. Till exempel fyller kol vanligen sitt valensskal genom att länka upp med fyra atomer av väte. På så sätt bildar de två elementen den enklaste av organiska molekyler, metan, som också är en av de mest rikliga och stabila kolhaltiga föreningarna på jorden. Som nämnts ovan är ett annat exempel vatten; syre behöver två elektroner för att fylla sitt valensskal., Det interagerar vanligen med två atomer av väte, som bildar H2O. förresten, namnet” väte ” återspeglar dess bidrag till vatten (hydro- = ”vatten”; -gen = ”maker”). Således är väte ” vattentillverkaren.”