Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат. 1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
Теорема Пригожина: в стационарном состоянии скорость изменения энтр опии, обусловленная протеканием необратимых внутренних пр о- цессов, имеет минимальное из всех возможн ых значение. min dt diS 13. Уравнение Теорелла. Уравнение Нернста - Планка. Закон Фика. Разновидности пассивного транспорта. Понятие об активном транспорте. Компоненты активного транспорта. Биологические мембраны представляет собой высоко избиратель- ные барьеры проницаемости. Они выполняют две прямо противопо- ложные функции: 1. Барьерную – клетка защищается от чужеродных веществ 2. Транспортную – обеспечивает поступление в клетку веществ, необ- ходимых для жизнедеятельности Поток молекул и ионов в клетку и из клетки контролируется нахо- дящимся в плазматической мембране системами транспорта: 1. Пассивный транспорт – перенос вещества по градиентам, не тре- бующий затрат энергии. Он может осуществляться путем диффузии через липидный бислой, а так же за счет осмоса, фильтрации и тд. 2. Активный транспорт – перенос вещества против действия физи- ко-химических градиентов. Этот вид транспорта требует затрат энергии. 3. Цитоз – такой механизм переноса веществ через мембрану, кото- рый сопровождается существенными, но обратимыми изменениями архитектуры мембраны. Поток вещества (массы) – количество вещества (массы), перено- симое за единицу времени. Ф - поток вещества – моль/c m Ф – поток массы – кг/с Плотность потока вещества (массы) – количество вещества (мас- сы), переносимое в заданном направлении и через единицу площади за единицу времени. Физика стоматологический факультет 48 I – плотность вещества – с м моль 2 m I – плотность массы с м кг 2 Диффузия – перенос вещества из области высокой концентрации в область низкой концентрации Уравнение Фика dx dc D I в общем виде gradC D I где D – Коэффициент диффузии – м 2 /сек, зависит от природы вещества и численно равен количеству вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации, равном единице. dx dc - градиент концентраций Знак «-» показывает, что направление диффузии противоположно росту концентрации. Уравнение Теорелла dx dm CU I Свободная диффузия, протекающая только под действием концен- трационного градиента, присуща ограниченному кругу веществ – неко- торым газам (кислород, азот, углекислый газ), неполярным жирораство- римым соединениям. Перенос зараженных частиц (ионов) через клеточную мембрану происходит под действием концентрационного и электрического гради- ента, называемых электрохимическим градиентом. В этом случае диф- фузия описывается электродиффузионным уравнением Нернста- Планка. На заряженную частицу в электрическом поле действует сила: dx d eZ qE F , где q – заряд иона dx d E Ответы на экзаменационные вопросы 49 dx d eUZ F U E , где U – подвижность частицы dx d eUCZ cv I I I I D Уравнение Нернста-Планка в нестандартном виде: dx d eUCZ dx dc D I dx d Na eNaUCZ dx dc D I где Na = 6,02*10 23 моль -1 F eNa – постоянна Фарадея m U Na U - молярная подвижность dx d CZ FU dx dc D I m - уравнение Нернста-Планка Перенос воды через мембраны Осмос – это перенос молекул воды через полупроницаемую мем- брану из области разбавленного раствора в область концентрированно- го. Сила, вызывающая это движение, называется осмотическим давле- нием. Явление осмоса можно наблюдать с помощью прибора, называе- мого осмометром. В стеклянную трубку, на конце которой находится полупроницаемая мембрана (проницаемая только для молекул раство- рителя), заливают раствор. Таким образом, движущей силой осм о- са является градиент концентраций растворителя. В ре- зультате жидкость в трубке поднимается до установления динамическо- го равновесия. Когда скорости перемещения молекул воды в одну и другую сторону станут одинаковыми, осмос прекращается. При этом гидростатическое давление столба жидкости в трубке уравновешивает осмотическое давление. Таким образом, осмотическое давление – это давление, которое нужно приложить, чтобы привести раствор в равно- весие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой мембраной: h Р П гидр , где: П - осмотическое давление; Физика стоматологический факультет 50 гидр Р - гидростатическое давление; h - высота столба жидкости; - плотность раствора. Аномальный осмос – процесс переноса воды при одновременном наличии противоположно направленного осмотического и электриче- ского градиента. Если электрический градиент по абсолютной величине превышает осмотический, то результирующий перенос воды будет про- исходить по направлению электрического градиента. Это – отрица- тельный аномальный осмос (осмотическая работа почек). При поло- жительном аномальном осмосе результирующий перенос жидкости происходит по осмотическому градиенту. Фильтрация – перенос жидкости через пористую среду под дейст- вием гидростатического давления. Применительно к фильтрации фор- мула Пуазеля может использоваться только по аналогии. Формула Пуайзеля L P r Q 8 4 Уравнение фильтрации: L P r Q dt dm 8 4 L P P S K dt dm ) ( 1 2 , где r – радиус поры L – длина поры – вязкость жидкости 1 2 P P – разность давлений между началом и концом поры – плотность жидкости Активный транспорт Активный транспорт – перенос молекул и ионов против действия градиентов. Активный транспорт присущ только биологическим мем- бранам (в отличие от пассивного, который может быть осуществлен в любых полупроницаемых мембранах – биологических и искусствен- ных). Благодаря активному транспорту в течение всей жизни организма сохраняется пространственная гетерогенность, т.е. отличие внутрикле- точной среды от внеклеточной, а также отличие одних клеток от других. Основные свойства систем активного транспорта: 1. Способность переноса вещества против действия физико- химических градиентов. 2. Необходимость энергетического обеспечения такого процесса. Ответы на экзаменационные вопросы 51 3. Специфичность (селективность) процесса активного транспорта. Это свойство основано на особенностях ферментативного состава мембран. Для каждого вещества, которое переносится против гра- диентов, существует своя система активного транспорта, не способ- ная перемещать другие соединения. В составе любой системы активного транспорта веществ через биологические мембраны можно выделить следующие основные ком- поненты: 1. Источник свободной энергии (например, макроэргические связи молекул АТФ, кератин-фосфат и тд.) 2. Переносчик данного вещества 3. Сопрягающий фактор (ферментативная система, сопрягающая рабо- ту источника энергии и переносчика). При переносе вещества через биологическую мембрану против со- ответствующих градиентов совершается определенная работа. Аэл Аконц А , где Аконц – работа, совершаемая по преодолению диффузионных сил, т.е. концентрационного градиента. Аэл – работа, необходимая для преодоления сил электрического поля мембраны. Для совершения этой работы необходимы большие энергетические затраты. Поступление энергии происходит за счет молекул АТФ, кото- рые включают три фосфатные группы, соединенные в виде цепочки. Извлечение энергии из АТФ происходит при гидролитическом отщеп- лении от концевой фосфатной группы. При этом АТФ переходит в АДФ. 4 3 2 PO Н АДФ O H АТФ В клеточных мембранах есть ферменты, значительно ускоряющие гидролиз АТФ. Их называют аденозинтрифосфатазами (АТФ - азами). Для активного транспорта каждого вещества обнаружена своя АТФ - аза. Она активизируется именно тем веществом, транспорт которого она обеспечивает. Примером системы активного транспорта является «натрий- калиевый насос», который постоянно выкачивает из клетки ионы Na + и закачивает в нее К + . Такой насос работает в обе стороны против гради- ентов концентрации, т.к. концентрация К + внутри клетки значительно больше, Na + значительно меньше, чем в межклеточной жидкости. В концевой фосфатной группе заключено 12 ккал. Считаем, что эта энергия переносится на белковые молекулы, имеющиеся в мембране. При присоединении фосфатной группы, молекула, играющая роль пере- носчика, фосфорилируется, т.е. приобретает достаточную энергию для преодоления градиента, направленного против движения переносимого вещества, отдавая перенесенное вещество на противоположной стороне биологической мембраны. Молекула переносчика дефосфорилируется и теряет энергию. Физика стоматологический факультет 52 Предполагается, что в разных мембранах и при переносе различных веществ переносчики могут работать с использованием различных ме- ханизмов: 1. Переносчиками могут быть мелкие белковые молекулы, кото- рые вместе с переносимым веществом могут проходить через всю тол- щину биологической мембраны, работая по принципу «малой» или «большой» карусели. Рис. 17. Схема переноса молекул через клеточную мембрану с помощью перенос- чика по системе малой (А) и большой карусели (Б). «Малая карусель» - переносчик заключен в мембране, и взаимо- действие с переносимым веществом происходит только на поверхности мембраны (А). «Большая карусель» - переносчик имеется и в мембране, и в при- мембранном пространстве. Комплексообразование происходит в при- мембранном пространстве (Б). 2. Переносчиками могут быть крупные молекулы пронизывающие всю биомембрану. Они переносят транспортируемые вещества через мембрану посредством ротации или сдвига. Ротационный механизм: приняв фосфатную группу и переноси- мое вещество, переносчик совершает поворот на 180˚ и отдает вещество в примембранное пространство с противоположной стороны мембраны. В дефосфорилированном виде переносчик опять поворачивается и за- нимает исходное положение. Такой процесс требует больших затрат энергии. Более выгодным в энергетическом отношении является механохи- мический процесс в молекуле переносчика. При таком способе вместе с участком переносчика, уходящим с поверхности вглубь мембраны, в нее погружается и транспортируемое вещество. Энергетическое обеспечение активного транспорта может быть свя- зано не только с АТФ. Переносчики могут получать энергию непосред- ственно из окислительно-восстановительных реакций (характерно для мембран митохондрий). Такие биологические насосы называют редокс- помпой. X A X X A X А Б Ответы на экзаменационные вопросы 53 Цитоз Посредством эндоцитоза в клетку поступают гормоны (например, инсулин), некоторые иммуноглобулины, ионы железа, необходимые для синтеза цитохромов и тд. Экзоцитоз – процесс обратный эндоцитозу. Примером экзоцитоза является выход медиатора в синапсе, выделение веществ из секретор- ных клеток, например, выход гранулы фермента из поджелудочной же- лезы и тд. 14. Акустика. Природа звука. Физические и физиологиче- ские характеристики звука. Закон Вебера - Фехнера приме- нительно к слуховому анализатору. Аудиометрия. Природа звука - упругая среда, между частицами которой сущест- вуют силы взаимодействия, препятствующие ее деформации. Звук - колебание частиц упругой среды, распространяющееся в ви- де продольных волн в газах, жидкостях, твердых телах. Воспринимается человеком в диапазоне частот 16-20000 Гц. Механизм распространения звуковой волны Если произвести резкое смещение частиц в каком-то месте, то среда деформируется, возникают упругие силы, которые стремятся вернуть частицы в положение равновесия и воздействуют на соседние частицы, выводя их из равновесия. Передача смещений от частицы к частице со- провождается изменением расстояния между ними и изменением давле- ния в каждой точке среды. Область повышенного давления перемещает- ся в упругой среде, за ней следует область пониженного давления. Если производить непрерывные смещения частиц с какой-то частотой, то об- разуется ряд чередующихся областей сжатия и растяжения, распростра- няющихся в среде в виде волны. Виды звука: 1. Чистый тон – периодический гармонический процесс 2. Сложный тон – периодический негармонический процесс. 3. Шум - звук, отличающийся непериодической зависимостью. 4. Удар – интенсивное кратковременное воздействие. Физика стоматологический факультет 54 Характеристики звука 1) Объективные характеристики звука Частота - величина, равная числу полных периодов колебаний, совершаемых в единицу времени. Единица измерения – Герц (Гц) Гармонический спектр – отношение мощности, переносимой звуковой волной через площадку, расположенную перпендику- лярно распространению, к площади этой площадки. [Вт/м²] Ухо человека чувствительно к интенсивности в пределах от 2 12 0 / 10 м Вт I - порог слышимости до 2 max / 10 м Вт I - порог болевого ощущения Интенсивность звука удобно сравнивать в логарифмической шкале: Уровень интенсивности, Белл L , соответствующий порогу слышимо- сти принят за «0» Белл; разница в 1 Белл соответствует L=10 0 lg I I k L , где I - исследуемая интенсивность 0 I - порог слышимости L - уровень интенсивности При Белл L k 1 дециБелл L k 10 2) Субъективные характеристика звука Высота – качество звука, определяемое на слух и зависящее от час- тоты звука Тембр – определяется спектральным составом звука. Громкость – характеризует звуковое ощущение для данного звука Уровень громкости – различие в восприятии человеком звуков разной частоты. Уровень громкости данной частоты – уровень интенсивности чистого тона, громкость которого при сравнении на слух, эквивалентна громкости исследуемого тона. Закон Вебера - Фехнера Если раздражение увеличить в геометрической прогрессии, т.е. в одинаковое число раз, то ощущение раздражения возрастет в арифмети- ческой прогрессии, т.е. на одинаковую величину. 0 lg I I E , Ответы на экзаменационные вопросы 55 где I - исследуемая интенсивность 0 I - порог слышимости - коэффициент пропорциональности Для звукового тона кГц 1 значения уровней громкости и ин- тенсивности числено совпадают. Интервал уровней громкости между порогами слышимости и порогами ощущения так же разделен на 13. Аудиометрия Аудиометрия - измерение остроты слуха. Так как острота слуха определяется главным образом порогом восприятия звука, то аудиомет- рия сводится к определению наименьшей силы звука, воспринимаемого человеком. Наиболее простыми методами аудиометрии являются обнаружение восприятия звуков различной громкости, производимых человеческой речью или камертонами с разных расстояний. В основном аудиометрию производят специальными электроаку- стическими приборами - аудиометрами. При изменении на аудиометре высоты (от 100 до 8000 Гц) и силы звука (от 0 до 125 дб) устанавливают их минимальную интенсивность, при которой звук становится едва слышимым (порог восприятия). Результаты записываются в виде ау- диограммы - кривой, нанесённой на специальную аудиометрическую сетку. Определив по шкале пороговую интенсивность звука у обследуе- мого, устанавливают степень снижения слуха. 15. Ультразвук. Источники и приёмники ультразвука. Осо- бенности распространения ультразвуковых волн. Исполь- зование ультразвука в медицине (УЗ - диагностика, УЗ - терапия, УЗ |