A Einführung und Gesamtzielsetzung des Lehrbuches 5. 1 Grundkenntnisse in Physik und Chemie als Grundlage für das Wissen in Krankenpflegeberufen...

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1 Inhalt A Einführung und Gesamtzielsetzung des Lehrbuches 5 1 Grundkenntnisse in Physik und Chemie als Grundlage für das Wissen in Krankenpflegeberufen Gesamtzielsetzung des Lehrbuches B Zusammenhang und Wechselbeziehung zwischen Physik, Chemie und Biologie 10 1 Gegenstand und Aufgabenbereiche von Chemie, Physik, Biologie und ihrer Bindeglieder Physikalische Vorgänge und chemische Reaktionen als grundlegende Erscheinungen physiologischer Vorgänge und Wirkungen Physikalische Vorgänge und ihre Anwendung in Diagnostik, Therapie und Pflege Physikalische Therapie in der Pflege Wärme- und Kälteanwendungen Röntgendiagnostik und Röntgentherapie, Strahlenkunde Strahlenschutz Diagnose- und Therapiemöglichkeiten mit Hilfe des elektrischen Stroms Anwendungsbeispiele der Akustik und Optik Wichtige physikalische Größen der Mechanik zur Beschreibung von Eigenschaften, Bewegungszuständen und Kräften von Körpern Die biologische Oxidation als eine Form chemischer Reaktionen im Organismus. 53 C Die stoffliche Zusammensetzung des menschlichen Organismus 62 1 Chemische Elemente und chemische Verbindungen Stoffklassen und stoffliche Strukturen D Wasser, Gasgesetze, Lösungen und Ionen 72 1 Physikalisch-chemische Eigenschaften des Wassers als Grundlage seiner biologischen Funktionen und Bedeutung Lösungen als Bedingungen für lebenserhaltende Vorgänge, Eigenschaften und Konzentrationsmaße Gasstoffwechsel und Gasgesetze Diffusion und Osmose Die Körperflüssigkeiten als Elektrolytlösungen bestimmter Zusammensetzung Der Säure-Base-Haushalt des Organismus Säuren, Basen, Salze Massenwirkungsgesetz, ph-wert und physiologische Bedeutung

2 E Organische Verbindungen und ihre Bedeutung für die Stoffwechselprozesse Aminosäuren und Eiweißstoffe Konstitution der Aminosäuren Essenzielle Aminosäuren und physikalisch-chemisch-biochemische Eigenschaften Konstitution und biologisch-chemische Eigenschaften der Eiweißstoffe Peptidbindungen Fettsäuren und Fette im Stoffwechsel Konstitution und physikalisch-chemisch-biochemische Eigenschaften der Fettsäuren Fette als neutrale Ester des Glycerins mit bestimmten Fettsäuren Biochemische Spaltung der Fette Lipoide Kohlenhydrate im Stoffwechsel Konstitution und Eigenschaften der Kohlenhydrate (Zucker, Stärke, Cellulose) Monosaccharide Entstehung von Disacchariden aus Monosacchariden Polysaccharide F Enzyme als biologische Katalysatoren chemischer Umwandlungen im Organismus 142 G Steroide als physiologisch wichtige Verbindungsgruppe 148 H Biochemische Funktionen und Bedeutung der Vitamine 155 I Internationales Einheitensystem (SI) Überblick über Größen, Einheiten, Einheitszeichen, Vorsätze 162 Sachwortverzeichnis

3 Zusammenhang und Wechselbeziehung zwischen Physik, Chemie und Biologie Im Rahmen der modernen Wundauflagen hat die Chemie vollsynthetische Produktgruppen, so genannte hydropolymere Verbände (hydroaktive Verbände) entwickelt. Als Dr. Felix Hoffmann 1897 aus der chemischen Verbindung Acetylsalicylsäure das Aspirin herstellte, konnte er nicht ahnen, dass es heute mit modernster Technik tonnenweise produziert wird. Moderne kleine, hinter dem Ohr oder im Ohr getragene Hörgeräte mit ausgefeilter mikroelektronischer Technik können heute nahezu jede Art der Hörbehinderung ausgleichen. In jedem Krankenhaus, jeder Klinik, jeder Pflegeeinrichtung sind angewandte Ergebnisse der Biologie, Physik, Chemie und anderer naturwissenschaftlicher Disziplinen allgegenwärtig. 1 Gegenstand und Aufgabenbereiche von Chemie, Physik, Biologie und ihrer Bindeglieder Erkunden Sie, ob es in Ihrer Klinik im Bereich der Medizintechnik eine/n Biophysikerin/-physiker, im Laborbereich eine/n Biochemikerin/-chemiker gibt und welche Aufgaben sie haben. Physik, Chemie und Biologie sind eng miteinander verknüpft. Bindeglieder zwischen diesen exakten Naturwissenschaften sind beispielsweise die: Physikalische Chemie Biochemie Biophysik Wenn man Erkenntnisse dieser Wissenschaften ausnutzen und anwenden will, muss man ihren Gegenstand, also ihr Betätigungsfeld, und ihre Aufgabenstellung kennen. Ohne diese Kenntnisse kann es leicht passieren, dass sich viele Einzelfragen anhäufen und man nicht weiß, wo Antworten zu finden sind. Dann wäre es auch nicht möglich, Zusammenhänge und Wechselbeziehungen zwischen diesen Wissenschaften oder Lehrfächern herzustellen. Es geht also darum, praktikable Definitionen zu finden, die Gegenstand und Aufgaben von Physik, Chemie und Biologie deutlich und anwendbar machen. Im zweiten Schritt ist es möglich, die zwischen diesen Wissenschaften existierenden Zusammenhänge herauszuarbeiten. 11

4 Zusammenhang und Wechselbeziehung zwischen Physik, Chemie und Biologie Einige Beispiele für Hauptaufgaben und ihre Zuordnung: Sachverhalt Untersuchung der Weitergabe von Erbanlagen von einer Generation zur anderen Untersuchung der stofflichen Zusammensetzung der Fette und des Abbaus der Fettsäuren im Stoffwechsel Untersuchungen der optischen, elektrischen und magnetischen Erscheinungen Erforschung des Baus und der Funktion des Organismus und seiner Einzelteile Untersuchung der Störung des Säure-Base-Haushaltes und damit verbundener Änderungen z.b. des Blut-pH-Wertes Entwicklung von Methoden und Verfahren zur Messung von Druck, Temperatur und Volumen Wissenschaft Biologie Chemie Physik Biologie Chemie Physik Diese Aufteilung und Zuordnung von Aufgaben könnte beliebig fortgesetzt werden. Von den genannten und möglichen einzelnen Aufgaben soll der Schritt zur Verallgemeinerung erfolgen, das bedeutet, eine anwendbare allgemeine Definition der entsprechenden Wissenschaft gefunden werden. Diese muss sowohl ihren Arbeitsgegenstand als auch mögliche Einzelaufgaben erfassen. Physik ist die Wissenschaft von der Struktur und der Bewegung der unbelebten Natur und der Erklärung dieser Erscheinungen mit Hilfe mathematischer Gesetze. Biologie ist die Wissenschaft von den Gesetzmäßigkeiten und Erscheinungsformen des Lebens. Chemie ist die Wissenschaft von den Stoffen, ihrem Aufbau, ihrer Zusammensetzung und Darstellung, ihren stofflichen Veränderungen und den dabei herrschenden Gesetzmäßigkeiten. Biochemie, Biophysik und Physikalische Chemie als Bindeglieder zwischen Chemie, Physik und Biologie. Bereits bei der Zuordnung von hauptsächlichen Aufgaben zu den Wissenschaften war nicht zu übersehen, dass die Hauptaufgaben zwar zugeordnet werden können, aber eine präzise Abgrenzung zwischen den Wissenschaftsbereichen nicht möglich ist, weil es Wechselbeziehungen und Zusammenhänge zwischen ihnen gibt und Erkenntnisse der einzelnen Wissenschaften gegenseitig genutzt werden, weil 12

5 Zusammenhang und Wechselbeziehung zwischen Physik, Chemie und Biologie mit dem ständigen Anwachsen der Erkenntnisse immer spezifischere Fragen erforscht werden können und sich die Wissenschaft vom Allgemeinen (Physik, Chemie, Biologie) in immer engere Spezialbereiche entwickelt. Einige dieser spezialisierten Wissenschaftsbereiche sind die Biophysik, Biochemie und Physikalische Chemie, die zusammen spezifische Leistungen bei der Erklärung der Lebensprozesse erbringen. Bindeglieder zwischen Physik, Chemie und Biologie Physik Chemie Physikalische Chemie untersucht die physikalischen Erscheinungen, die bei chemischen Vorgängen auftreten, und die Beeinflussung chemischer Vorgänge durch physikalische Einwirkungen Chemie Biologie Biochemie untersucht die chemischen Vorgänge im lebenden Organismus bzw. den chemischen Mechanismus der Lebenstätigkeit. Physik Biologie Biophysik untersucht die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, denen die Lebensvorgänge und die Lebewesen selbst unterliegen. 1. Versuchen Sie weitere Beispiele für Sachverhalte/Hauptaufgaben zu finden, mit denen sich vorwiegend die Chemie, Physik oder Biologie beschäftigen. 2. Welche Sachverhalte sprechen dafür, dass bei der Entwicklung künstlicher Gelenke Mediziner, Chemiker, Physiker und Techniker zusammenarbeiten müssen? 3. Welche spezifischen Vorgänge untersucht die medizinische Biochemie und die medizinische Biophysik? 13

6 Wasser, Gasgesetze, Lösungen und Ionen Kolloidosmotischer Druck Im Abschnitt D 2.1 sind kolloide Lösungen besprochen. Die Trennung hochmolekularer Teilchen (kolloide Lösung) von niedrigmolekularen Teilchen (echte Lösung) kann durch eine Dialysiermembran erfolgen. Eine Dialysiermembran ist für Kolloide undurchlässig, für kleinere Moleküle durchlässig. Bei der Dialyse, als so genannte künstliche Niere. Werden durch eine Nierenerkrankung oder Nierenversagen normal harnpflichtige Substanzen nicht mehr ausgeschieden, wie z.b. Kreatin, Harnstoff, Elektrolyte, Wasser, so muss diese Nierenfunktion durch einen Dialyseapparat ersetzt werden. Beispiel Größere Teilchenbestandteile des Blutes (nicht harnpflichtige) wie z.b. Eiweiße, Blutzellen oder Fette treten nicht durch die Dialysiermembran hindurch. Diese ist für solche kolloiden Teilchen undurchlässig. Durchlässigkeit besteht für die kleineren kristalloiden Stoffe wie Wasser, Elektrolyte, Harnstoff, Kreatin. Durch gegenseitige Diffusion der durchlässigen Teilchen durch die halbdurchlässige Dialysiermembran wird ein Konzentrationsunterschied zwischen dem Dialysat und dem Blut ausgeglichen. Dialysat Dialysiermembran Blut Das führt zu einem ausgeglichenem Elektrolythaushalt und damit einem ausgeglichenem Säure-Base-Haushalt. Außerdem entsteht ein normaler physiologischer ph-wert des Blutes (siehe Abschnitt D 6.2). 1. Wann spricht man von einer semipermeablen Wand? Wo tritt sie im Organismus auf? 2. Von welchen Faktoren ist die Geschwindigkeit der gegenseitigen Vermischung von Stoffen abhängig? 3. Wie wird in der Dialyse ein Konzentrationsunterschied zwischen Dialysat und dem Blut ausgeglichen? 89

7 Wasser, Gasgesetze, Lösungen und Ionen Für Pufferlösungen von schwachen Säuren und ihren Salzen gilt: [Säure] ah 3 O + Ka [Salz] aus Pufferlösungen von schwachen Basen und ihren Salzen ergibt sich: aoh Ka [Base] [Salz] 1. Welchen ph-wert haben Lösungen mit folgender Hydroniumionenkonzentration? 10 3, 10 6, Warum ist reines Wasser mit dem ph-wert 7 ein schwacher Elektrolyt? 3. Bei der Dissoziation schwacher Säuren und Basen stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein. Was ist darunter zu verstehen? Nennen Sie Beispiele. 4. Ist bei der Veränderung des Blut-pH-Wertes von 7,4 auf 7,45 ein Anstieg von Säuren oder Basen zu benennen? Was liegt bei einer Azidose (ph = 7,35) vor? 1. Begründen Sie die biologische (physiologische) Bedeutung des Wassers durch seine physikalisch-chemischen Eigenschaften. 2. Warum sind Lösungen Bedingung für lebenserhaltende Vorgänge? 3. Worin unterscheiden sich echte Lösungen und kolloide Lösungen? 4. Was sind Säuren, Basen und Salze? 5. Worin bestehen die wesentlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften von wässrigen Lösungen der Säuren, Basen, Salze? 6. Warum sind Körperflüssigkeiten Elektrolytlösungen bestimmter Zusammensetzung? 7. Erläutern Sie auf Grund fachpraktischer Erfahrungen, welche Konzentrationsangaben bzw. Konzentrationsmaße (Masseprozent, Volumenprozent, Molarität, Normalität) von Lösungen für die Pflegepraxis bekannt und anwendbar sein müssen. 8. Wie erklärt sich aus dem Ionenprodukt des Wassers der ph-wert und wie ist er definiert? 9. Die Regulation des ph-wertes des Blutes erfolgt u.a. durch Puffersysteme. Geben Sie Beispiele für Puffersysteme und Pufferlösungen an. 10. Vorgänge des Gasstoffwechsels im Organismus spielen sich in Lösungen ab. Wie ist das Verhalten der Gase dabei gesetzmäßig abhängig von den Zustandgrößen Druck, Volumen und Temperatur? 11. Der molekulare Stoffaustausch in den Körperzellen folgt den allgemeinen Gesetzmäßigkeiten der Diffusion und speziell der Osmose. Erläutern Sie beide Begriffe. 98

8 Wasser, Gasgesetze, Lösungen und Ionen Wasser macht annähernd zwei Drittel der menschlichen Körpermasse aus. Das Leben ist an Wasser gebunden. Wasser ist das Medium, in dem die Zellen existieren und die Stoffwechselprozesse ablaufen. Aus dem Dipolcharakter der Wassermoleküle erklärt sich die universelle Fähigkeit des Wassers Stoffe zu lösen und den Zerfall der Stoffe in Ionen (Dissoziation) zu fördern. Die thermischen Eigenschaften des Wassers, ausgedrückt durch die Begriffe Assoziationsgrad, Wärmekapazität, Verdunstungswärme, Wärmeleitfähigkeit, sind bedeutsam für die Wärmeregulation des Organismus. Lösungen sind Bedingung für lebenserhaltende Vorgänge. Nach der Teilchengröße der im Wasser als Lösungsmittel gelösten Stoffe ist zwischen echten Lösungen und kolloiden Lösungen zu unterscheiden. Für den in der Pflegepraxis notwendigen Gebrauch verschiedener Lösungen ist die Kenntnis der Konzentrationen (gelöste Stoffmenge in einer Lösung) unabdingbar. Für die Angabe der Gesamtmenge eines gelösten Stoffes in einer Lösung werden die Konzentrationsangaben Masseprozent oder Volumenprozent verwendet. Die Anzahl gelöster Stoffteilchen in einer Lösung wird durch die Konzentrationsmaße Molarität oder Normalität angegeben. Auch die Vorgänge des Gasstoffwechsels Sauerstoffaufnahme / Kohlendioxidabgabe im Organismus spielen sich in Lösungen ab. Das Verhalten der Gase ist dabei gesetzmäßig abhängig von den Zustandsgrößen Druck, Volumen und Temperatur. Der molekulare Stoffaustausch in den Körperzellen folgt den allgemeinen Gesetzmäßigkeiten der Diffusion und in spezieller Weise der Osmose. Diffusion ist die gegenseitige Vermischung verschiedener angrenzender Stoffe. Die Osmose ist die einseitige Vermischung zweier Flüssigkeiten, die durch eine semipermeable Wand getrennt sind. Die Körperflüssigkeiten sind Elektrolytlösungen bestimmter Zusammensetzung. Elektrolyte sind Stoffe, die in wässriger Lösung unter Bildung von Ionen dissoziieren. Säuren, Basen und Salze sind Elektrolyte. Für die normalen Körperfunktionen ist ein ausgeglichener Elektrolythaushalt, insbesondere ein Gleichgewicht zwischen Säuren und Basen Voraussetzung. Dieses Gleichgewicht bzw. Veränderungen sind durch die Bestimmung des ph-wertes messbar. Der ph-wert ist Ausdruck für die Konzentration von Hydroniumionen (H 3 O + = einfach H + ). Die Regulation des physiologisch im schwach basischen Bereich (ph 7,36-7,44) eingestellten Gleichgewichts von Säuren und Basen erfolgt durch Pufferlösungen. Puffersysteme haben das Vermögen, in bestimmten Grenzen eine Zufuhr oder Abgabe von H 3 O + -Ionen (saure Reaktion) auszugleichen, d.h. abzupuffern. Zusammenfassung 99

9 Internationales Einheitensystem (SI) Überblick über Größen, Einheiten, Einheitszeichen, Vorsätze I Internationales Einheitensystem (SI) Überblick über Größen, Einheiten, Einheitszeichen, Vorsätze Das internationale System der Maßeinheiten, das von der 11. Generalkonferenz für Maße und Gewichte (GPM) beschlossen wurde, löste frühere Systeme ab und führte zu einer internationalen Vereinheitlichung aller Maßeinheiten. Aus der Übersetzung der vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht herausgegebenen Schrift Le Systéme International d Unités (SI) sollen Sachverhalte ausgewählt werden: Im Internationalen Einheitensystem (SI) unterscheidet man drei Klassen von SI- Einheiten: Basiseinheiten abgeleitete Einheiten ergänzende Einheiten Dazu kommen noch dezimale Vielfache und Teile von SI-Einheiten. SI-Basiseinheiten Größe Name Einheitenzeichen Länge das Meter m Masse das Kilogramm kg Zeit die Sekunde s elektr. Stromstärke das Ampere A thermodynamische Temperatur das Kelvin K Stoffmenge das Mol mol Lichtstärke das Condela cd Als allgemein gültige SI-fremde Einheiten werden anerkannt: Größe Name Einheitenzeichen Volumen das Liter l Zeit die Minute min der Tag d das Jahr a 162

10 Internationales Einheitensystem (SI) Überblick über Größen, Einheiten, Einheitszeichen, Vorsätze Von den Basiseinheiten abgeleitete SI-Einheiten Beispiel für abgeleitete SI-Einheiten, die durch Basiseinheiten ausgedrückt werden: Größe Name Einheitenzeichen Fläche Quadratmeter m 2 Volumen Kubikmeter m 3 Geschwindigkeit Meter durch Sekunde m/s Beschleunigung Meter durch m/s 2 Sekundenquadrat Stoffmengen- Mol durch mol/m 3 konzentration Kubikmeter Spezifisches Kubikmeter durch m 3 /kg Volumen Kilogramm Abgeleitete SI-Einheiten mit selbstständigen Namen Größe Name Einheiten- durch durch Basiszeichen andere einheiten Einheiten Frequenz Hertz Hz s -1 Kraft Newton N m kg s-2 Druck Pascal Pa N / m 2 m -1 kg s-2 Energie Joule J N m m 2 kg s-2 Leistung Watt W J/s m 2 kg s -3 Elektrizitätsmenge Coulomb C s A elektrische Spannung Volt V W / A m 2 kg s -3 A -1 SI-Vorsätze (dezimale Vielfache und Teile von SI-Einheiten) Multiplikations- Vorsatz Kurzzeichen faktor der Einheit Atto a Femto f Pico p 10-9 Nano n 10-6 Mikro µ 10-3 Milli m 10 3 Kilo K 10 6 Mega M 10 9 Giga G Tera T 163