ФИЗИКА 54-70. 54. Ультрафиолетовое (УФ) излучение. Основные характеристики и источники. Фотобиологические процессы, возникающие при уфоблучении. Использование уфсвета в медицине

• Название: 54. Ультрафиолетовое (УФ) излучение. Основные характеристики и источники. Фотобиологические процессы, возникающие при уфоблучении. Использование уфсвета в медицине
• Дата: 30.10.2022
• Размер: 1.39 Mb.
• Имя файла: ФИЗИКА 54-70.doc
• Тип: Документы; #761526

54. Ультрафиолетовое (УФ) излучение. Основные характеристики и источники. Фотобиологические процессы, возникающие при УФ-облучении. Использование УФ-света в медицине.

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (λ=400 нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (λ=10 нм), называют ультрафиолетовым (УФ).

Характеристики:Энергию УФ-излучения, падающего на единицу облучаемой поверхности (1 см2), за все время облучения называют дозой облучения (Д; мкДж/см2). Мощность или поток энергии УФ-излучения, приходящийся на единицу площади облучаемой поверхности, перпендикулярной направлению излучения (плотность потока энергии), называют облученностью (Е; мкВт/см2).

Биологический эффект от УФ-облучения зависит от интенсивности потока излучения. Интенсивность УФ-света обратно пропорциональна (в степени близкой квадратичной зависимости) расстоянию до облучаемой поверхности. Поэтому принято располагать облучатель на расстояниях не менее 60 см до облучаемой поверхности. Кроме того, биологическая реакция объект зависит также от светочувствительности его кожи. Поэтому на практике определяют минимальную дозу излучения данного облучателя, вызывающую на коже минимальную (пороговую) реакцию. Эту дозу, выраженную в продолжительности облучения при определенном расстоянии от лампы до поверхности кожи, называют биодозой.

Источники:Наиболее мощным источником теплового УФ-излучения является Солнце, 9% излучения которого на границе земной атмосферы приходится на УФ-диапазон. В лабораторных условиях в качестве источников УФ-излучения используют электрический разряд в газах и парах металлов. Наибольшее значение для медицины при получении УФ-света имеют не тепловые источники, а лампы, в которых электрический разряд происходит в атмосфере ртутных паров. При этом возбужденные атомы ртути дают интенсивное излучение в ультрафиолетовой области спектра.

Измерение УФ-излучения в основном осуществляется фото-электрическими приемниками. Индикаторами являются люминесцирующие вещества и фотопластинки.

Ртутно-кварцевые лампы: Электроды вследствие бомбардировки их ионами газа (аргона) и электронами нагреваются, и с их поверхности происходит электронная эмиссия. Нагревается вся лампа и, имеющаяся в ней ртути испаряется. Возникает дуговой разряд в ртутных парах, давление которых при этом повышается до необходимого предела; устанавливается рабочий режим лампы. Лампа дает излучение с линейчатым спектром, который состоит на 45-50% из видимого излучения в сине-фиолетовой части спектра, что и наблюдается глазом при работе лампы, и на 50-55% из ультрафиолетового. Излучение в ультрафиолетовой части спектра приходится на длины волн 365 и 313 нм, что соответствует преимущественно зонам А и В.

Использование: детская профилактика рахита, образование витамина Д, в спортивной практике (закаливание), а также для лиц, лишенных по характеру своей работы дневного солнечного освещения (работающим под землей). Чаще всего, эритемная лампа (длинноволновое УФ-излучение) применяется в светильниках вместе с группой ламп дневного света для освещения помещений. Приемы профилактики гриппа и его осложнений является ультрафиолетовое облу-

чение миндалин и слизистой оболочки носа. Бактерицидные лампы для обеззараживания воздуха.

УФ излучение делят на три области:



А-излучение используется при лечении многих дерматологических заболеваний.

В-излучение оказывает антирахитное действие.

С-излучение оказывает бактерицидное действие. При облучении происходит разрушение структуры микроорганизмов и грибов.
55. Основные характеристики инфракрасного (теплового) излучения: спектральная плотность энергетической светимости, коэффициент поглощения. Черное и серое тела. Закон Кирхгофа.

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света (λ=0,76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением [λ=(1–2) мм], называют инфракрасным (ИК).

Поток излучения, испускаемый 1 м2 поверхности, называют энергетической светимостью . Она выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).



Способность тела поглощать энергию излучения характеризуют коэффициентом поглощения, равным отношению потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него:



Тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн (частот), называют черным. Оно поглощает все падающее на него излучение при любой температуре.

Черных тел в природе нет, это понятие – физическая абстракция. Моделью черного тела является маленькое отверстие в замкнутой непрозрачной полости. Луч, попавший в это отверстие, многократно отразившись от стенок, почти полностью будет поглощен.

   Тело, коэффициент поглощения которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него, называют серым.

Серых тел в природе нет, однако некоторые тела в определенном интервале длин волн излучают и поглощают как серые. Так, например, тело человека иногда считают серым, имеющим коэффициент поглощения приблизительно 0,9 для инфракрасной области спектра.

Закон Кирхгофа: при одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому коэффициенту поглощения одинаково для любых тел, в том числе и для черных.

, где  – спектральная плотность энергетической светимости черного тела
56. Энергетическая светимость черного тела. Законы Стефана-Больцмана и смещения Вина.

Поток излучения Ф - средняя мощность излучения за время, большее периода свет колебаний. [Вт/ ]

Излучение черного тела имеет сплошной спектр.

Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры:

, σ=5,67 - постоянная Стефана-Больцмана, Т-температура, Re-энергетическая светимость

   Закон Стефана-Больцмана можно качественно проиллюстрировать на разных телах (печь, электроплита, металлическая болванка и т. д.): по мере их нагревания ощущается все более интенсивное излучение.

Закон смещения Вина, этот закон выполняется и для серых тел:

, где  – длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости черного тела, b=0,28 978· м·К – постоянная Вина.

    Проявление закона Вина известно из обыденных наблюдений. При комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается. Если температура повышается, то тела начинают светиться темно-красным светом, а при очень высокой температуре – белым с голубоватым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела.

    Законы Стефана-Больцмана и Вина позволяют, регистрируя излучение тел, определять их температуры (оптическая пирометрия).
57. Применение теплового излучения в медицине. Тепловое излучение человека. Методы термографии и тепловидения.

Тепловое излучение тел – это излучение нагретых тел. Дозированную солнечную радиацию применяют как солнцелечение (гелиотерапия), а также как средство закаливания организма.

Для лечебных целей используют искусственные источники теплового излучения: лампы накаливания и инфракрасные излучатели, укрепленные в специальном рефлекторе на штативе. Инфракрасные излучатели устроены подобно бытовым электрическим нагревателям с круглым рефлектором. Спираль нагревательного элемента накаливается током до температуры порядка 400–500°С.

Теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения и излучения (поглощения).

У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Однако воспалительные процессы, опухоли могут изменить местную температуру.

Температура вен зависит от состояния кровообращения, а также от охлаждения или нагревания конечностей. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры являются диагностическим методом – термографией. 

Определение различия температуры поверхности тела при термографии в основном осуществляется двумя методами. В одном случае используются жидкокристаллические индикаторы, оптические свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры. Помещая эти индикаторы на тело больного, можно визуально по изменению их цвета определить местное различие температуры. Другой метод, более распространенный, – технический, он основан на использовании тепловизоров. Тепловизор – это техническая система, подобная телевизору, которая способна воспринимать инфракрасное излучение, идущее от тела, преобразовывать это излучение в оптический диапазон и воспроизводить изображение тела на экране. Части тела, имеющие разные температуры, изображают на экране разным цветом.
58. Рентгеновское излучение. Основные характеристики рентгеновского излучения. Устройство рентгеновской трубки. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Зависимость спектра излучения от напряжения между электродами, температуры накала катода и материала анода.

Рентгеновское излучение – электромагнитные волны с длиной от 80 до нм.

Основные характеристики рентгеновского излучения:

Интенсивность (мА)— количественная характеристика, выражается количеством лучей, испускаемых трубкой в единицу времени.

Жёсткость (кВ) — качественная характеристика рентгеновского излучения. Определяет проникающую способность рентгеновских лучей. Регулируется величиной высокого напряжения, подводимого к рентгеновской трубке повышающим трансформатором. Чем выше разность потенциалов создаётся на электродах трубки, тем с большей силой электроны отталкиваются от катода и устремляются к аноду и тем сильнее их столкновение с анодом. Чем сильнее их столкновение, тем короче длина волны у возникающего рентгеновского излучения и выше проникающая способность данной волны (или жёсткость излучения, которая, так же как и интенсивность.

Рентгеновская трубка представляет собой вакуумированную стеклянную колбу с двумя электродами: анодом А и катодом К, между которыми создается высокое напряжение. Катод представляет собой спираль, нагреваемую электрическим током. Электроны, испущенные нагретым катодом, разгоняются электрическим полем до больших скоростей и попадают на анод трубки. При взаимодействии этих электронов с веществом анода возникают два вида рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое.

В результате торможения электрона электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов веществ антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение:

Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле:

,где I и U- напряжение между электродами и сила тока в рентгеновской трубке, Z-порядковый номер атома вещества антикодона, k= - коэффициент пропорциональности.

T =>Ф , U =>Ф , Z =>Ф

Характеристическое излучение возникает при увеличении напряжения в рентгеновской трубке=>ускоренные электроны проникают вглубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места приходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения.

Жесткое излучение - коротковолновое, длинноволновое – мягкое (по принципу проникающей способности).
59. Закон ослабления потока рентгеновского излучения веществом. Механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом: фотоэффект, когерентное, некогерентное рассеивание.

Рассеяние рентгеновских лучей и фотоэффект приводят к тому, что по мере проникновения рентгеновского излучения вглубь первичный пучок излучения ослабляется в соответствии с законом:

, где -линейный коэффициент ослабления, зависит от плотности вещества.

Массовый коэффициент ослабления не зависит от плотности вещества: .

При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.

Когерентное - рассеивание без изменения длины волны hv
Некогерентное (эффект Комптона) - с изменением длины волны hv>Aи (энергия фотона больше энергии ионизации). При взаимодействии с атомами энергия фотона расходуется на образование нового рассеянного излучения с энергией hν', на отрыв электрона от атома и сообщение электрону кинетической энергии Ek. hv=hv`+Aи+Ek. Атомы и молекулы становятся ионами.
60. Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине. Рентгенодиагностика. Рентгенотерапия. Компьютерная томография.

Для диагностики используют фотоны с энергией порядка 60- 120 кэВ.

Рентгенодиагностика – это просвечивание внутренних органов с диагностической целью.

Физической основой методов является закон ослабления рентгеновского излучения в веществе. Однородный по сечению поток рентгеновского излучения после прохождения неоднородной ткани станет неоднородным. Эта неоднородность может быть зафиксирована на фотопленке, флуоресцирующем экране или с помощью матричного фотоприемника. Например, массовые коэффициенты ослабления костной ткани и мягких тканей различаются. Плотность кости также выше плотности мягких тканей. Поэтому на рентгеновском снимке получается светлое изображение кости на более темном фоне мягких тканей.

Если исследуемый орган и окружающие его ткани имеют близкие коэффициенты ослабления, то применяют специальные контрастные вещества.

Рентгенотерапия – это облучение злокачественных опухолей

Компьютерная томография позволяет получать послойные изображения тела (различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования).
61. Радиоактивность. Виды и свойства радиоактивных излучений: . Энергетические спектры -излучения. Основной закон радиоактивного распада. Период полураспада.

Радиоактивность – самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц.

Начальная скорость α-частицы составляет , что соответствует начальной кинетической энергии 4-9 МэВ. α-частицы, испускаемые определенным элементом составляют несколько групп с близкой энергией, поэтому спектр α-излучения состоит из близко расположенных линий.

β-излучение характеризуется начальной скоростью частиц порядка . Поскольку запас энергии электронов и позитронов распределяется от минимальных до максимальных величин, спектр β-излучения непрерывный или сплошной.

γ-излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой поток фотонов высокой энергии (0,2-3 МэВ) с длиной волны . γ-излучение имеет линейчатый спектр.

Альфа-распад состоит в самопроизвольном превращении одного ядра в другое ядро с испусканием -частицы (ядра атома гелия ). ,

Бета-распад - радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона; взаимном превращении нейтрона и протона

1.Электронный, или - распад, который проявляется в вылете из ядра - частицы (электрона).

2.Позитронный, или - распад, позитрон образуется вследствие превращения протона в нейтрон.

Гамма-излучение не является самостоятельным видом радиоактивного распада, оно почти всегда сопровождает α-распад и β-распад.

Основной закон радиоактивного распада:

, где - исходное число радиоактивных ядер; N – число ядер, оставшееся к моменту времени t; λ – постоянная распада, знак минус указывает ,что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.

Период полураспада (Т)- время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер:


62. Биофизические основы действия радиоактивных излучений на организм. Прямое и опосредованное повреждение биомолекул. Защита от ионизирующего излучения.

Радиоактивное облучение организма человека может быть внешним и внутренним. При внешнем облучении, которое создается закрытыми источниками, опасны излучения, обладающие большой проникающей способностью. Внутреннее облучение возможно, когда радиоактивное вещество попадает внутрь организма. Наибольшую опасность представляют радиоактивные изотопы с большим периодом полураспада и интенсивным излучением, медленно выделяющиеся из организма или концентрирующиеся в отдельных его органах.

Биологическое действие радиоактивных излучений характеризуется ионизацией атомов и молекул организма, в результате чего происходит разрыв нормальных молекулярных связей и изменение химической структуры различных соединений. Это, в свою очередь, ведет к нарушению нормальных биохимических процессов обмена веществ в живых клетках. Лучевое воздействие большой силы и продолжительности может вызвать гибель отдельных клеток, органов, а впоследствии и всего организма.

Основными характеристиками взаимодействия ионизирующих излучений с веществом являются их проникающая и ионизирующая способности. За счет высокой кинетической энергии α-, β-частицы и γ-фотоны при столкновении с атомами вещества способны выбить ихэлектр оны. При этом наряду с ионизацией происходит возбуждение атомов вещества с последующим излучением в определенном электромагнитном диапазоне. Активация молекул приводит к протеканию ряда фотохимических реакций. Так же может наблюдаться нагрев вещества, возникновение характеристического рентгеновского излучения, радиолюминесценция и др. В результате столкновений энергия частиц постепенно снижается, достигает уровня теплового движения и действие излучения на вещество прекращается. Ионизирующая и проникающая способности находятся в обратной зависимости: в ряду α-, β- и γ-излучение уменьшается ионизирующая и возрастает проникающая способность.

Защита временем и расстоянием (необходимо находиться под воздействием ионизирующего излучения минимальное время и на максимально возможном расстоянии от источника этого излучения).

Для точечного источника экспозиционная доза определяется соотношением: ,

из которого видно, что она прямо пропорциональна времени и обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника.

Защита материалом (основывается на различной способности веществ поглощать разные виды ионизирующего излучения).

Защита от -излучения проста: достаточно листа бумаги или слоя воздуха толщиной в несколько сантиметров, чтобы полностью поглотить α-частицы.

Для защиты от β-излучения достаточно пластин из алюминия или стекла толщиной в несколько сантиметров.
63. Дозиметрия ионизирующих излучений (поглощенная, экспозиционная, эквивалентная дозы). Мощность дозы. Дозиметрические приборы. Естественный фон и допустимые значения доз ионизирующего излучения.
Доза излучения (поглощенная доза излучения) (D) - величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента:

, единицей поглощенной дозы является грей (Гр), при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения. В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы - рад (1 рад = 10^-2 Гр).

Экспозиционная доза (Х) равна заряду всех положительных ионов, образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях, является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и γ-лучами. Единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). На практике пользуются единицей, которая называется рентгеном (Р), 1 Р = 2,58х10^-4 Кл/кг.

Эквивалентная доза (Н)равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества для данного вида излучения:

,единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв). На практике пользуются единицей, которая называется бэр:1 бэр = 10^-2 Зв.

Мощность дозы (N) – доза, полученная объектом за единицу времени. Единицей мощности экспозиционной дозы является 1 А/кг, а внесистемной единицей – 1 Р/с.

;

Дозиметрическими приборами, или дозиметрами называют устройства для измерения доз ионизирующих излучений или величин, связанных с дозами.

  Конструктивно дозиметры состоят из детектора ядерных излучений и измерительного устройства. Обычно они проградуированы в единицах дозы или мощности дозы. В некоторых случаях предусмотрена сигнализация о превышении заданного значения мощности дозы.

  В зависимости от используемого детектора различают дозиметры ионизационные, люминесцентные, полупроводниковые, фотодозиметры и др.

  Дозиметры для измерения экспозиционной дозы рентгеновского и γ-излучения или ее мощности называют рентгенометрами.

  Существуют дозиметры, детекторами которых являются газоразрядные счетчики.

  Для измерения активности или концентрации радиоактивных изотопов применяют приборы, называемые радиометрами.

Естественные радиоактивные источники (космические лучи, радиоактивность недр, воды, радиоактивность ядер, входящих в состав человеческого тела, и др.) создают фон, соответствующий приблизительно эквивалентной дозе 125 мбэр в течение года. Предельно допустимой эквивалентной дозой при профессиональном облучении считается 5 бэр в течение года. Минимальная летальная доза от γ-излучения около 600 бэр.
64.Физические основы применения ионизирующих излучений в медицине: диагностическое использование радиофармпрепаратов, α-терапия. Требования, предъявляемые к радиофармпрепаратам.

Клиническая диагностика заболеваний человека с помощью введения в его организм радиоизотопов в индикаторных количествах – ядерная медицина.

Радиофармпрепараты (РФП) – соединения, содержащие радионуклиды, и предназначены для наблюдения и оценки физиологических функций отдельных внутренних органов.

Характер распределения РФП в организме определяется способами его введения, а также такими факторами, как величина кровотока объёма циркулирующей крови и наличием того или иного метаболического процесса. Методы ядерной медицины в большей степени направлены на функциональное исследование органов и систем, и в меньшей - на анализ их анатомо-морфологических особенностей.

Требования к радиофармпрепаратам:

1. Препараты поступают в исследуемый орган и быстро выводятся из организма, тем самым снижая лучевую нагрузку.

2. По физическим характеристикам он должны обладать коротким периодом полураспада. Быстрый распад нуклида также обеспечивает безопасность исследования.

3. РФП, вводимые внутрь организма, не должны содержать токсических примесей или радиоактивных веществ, которые в процессе распада образуют долгоживущие дочерние нуклиды

Альфа-терапия – вид лучевой терапии, при котором лечение осуществляется путем воздействия на организм альфа-излучения. Для альфа-терапии применяют быстро выделяющиеся из организма изотопы (радон, дочерние продукты торона). Осуществляют альфа-терапию в виде радоновых ванн (общих и местных), питья радоновой воды, микроклизм, орошений, вдыхания воздуха, обогащенного радоном, а также наложением на определенные участки кожи больного радиоактивных повязок (марлевые аппликаторы с дочерними продуктами торона) или мазей и растворов с торием.

Альфа-терапевтические процедуры влияют на центральную и вегетативную нервные системы, эндокринные железы, сердечно-сосудистую систему. Они оказывают успокоительное, обезболивающее и противовоспалительное действие. Однако альфа-терапия противопоказана при злокачественных опухолях, туберкулезе, некоторых заболеваниях крови, при беременности.
65. Плазматические мембраны, их структура и функции. Физические свойства и параметры биомембран: жидокристаллическое состояние, толщина, микровязкость, электрическая емкость.

Биологические мембраны ограничивают клетку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом в-в, способствуют генерации электрических потенциалов, участвуют в синтезе АТФ, состоят из липидов и белков.

Липидная молекула состоит из двух частей: несущей электрические заряды (полярной) головки и длинных хвостов, не несущих электрического заряда (гидрофобных). Головки заряжены либо отрицательно, либо нейтральны. Связующим звеном между хвостом и головкой чаще всего служит остаток глицерина. Бислой выполняет 2 функции: матричную и барьерную (бислой является структурной основой для размещения основных рецепторных и ферментных систем клетки; двойной слой липидов является преградой для ионов и водорастворимых молекул).

Молекулы в мембране размещены в определенном порядок. Есть порядок и в ориентации полярных гидрофильных головок. Физическое состояние, при котором есть дальний порядок во взаимной ориентации и расположении молекул, но агрегатное состояние жидкое, называется жидкокристаллическим состоянием.

Толщина мембран 4-13нм (в липидных бислоях 4,6-9нм)

Вязкость липидного бислоя биомембран значительно выше вязкости воды и близка к вязкости растительного масла. При понижении температуры происходит фазовый переход, в результате которого липиды бислоя превращаются в гель.

Электроемкость 0,5-1,3мкФ
66. Пассивный транспорт веществ через плазматические мембраны. Простая диффузия. Уравнения Фика, Нернста-Планка. Особенности транспорта гидрофобных и гидрофильных веществ. Облегченная диффузия.



J-плотность потока диффундирующего вещества [ ], D-коэффициент диффузии, - проекция градиента концентрация на направление x.



P-коэффициент проницаемости (P=DK/l, l-толщина,K-коэффициент распределения в-ва)

Проницаемость мембраны для неэлектролитов существенно зависит от их способности растворяться в билипидном слое мембраны. Мембрана хорошо проницаема для липидорастворимых веществ (спирты, эфиры), не имеющих биологического значения. Но такие гидрофильные вещества как сахара, аминокислоты не способны проникать через биологическую мембрану посредством свободной диффузии. Для этого требуются специальные системы транспорта.

Пассивный транспорт - перенос молекул и ионов через мембрану, который осуществляется в направлении меньшей их концентрации. Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии. Он стремится выровнять концентрации частиц по разные стороны от мембраны, т.е. свести к нулю величины их градиентов.

•  Простая диффузия через липидный слой. Она подчиняется уравнению Нернста-Планка. В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, ряда лекарственных веществ. Однако простая диффузия протекает достаточно медленно и не может снабдить клетку в нужном количестве питательными веществами.

F - число Фарадея ( ), U_m – подвижность диффундирующих молекул, Z - валентность иона, - электрический потенциал на мембране.

•  Транспорт через каналы (поры). Канал - участок мембраны, включающий белковые молекулы и липиды, который образует в мембране проход. Этот проход допускает проникновение через мембрану молекул воды, крупных ионов. Наличие каналов увеличивает проницаемость Р. Проницаемость Р зависит от числа каналов и от их радиуса. Каналы могут проявлять селективность (избирательность) по отношению к разным ионам, это выражается в различной проницаемости для разных ионов.

•  Облегченная диффузия - перенос ионов специальными молекулами-переносчиками за счет диффузии переносчика вместе с веществом. Наиболее подробно это явление изучено для случая переноса ионов некоторыми антибиотиками, например валиномицином. В полость антибиотика вписывается ион К⁺ (ион Na⁺ слишком велик для отверстия в молекуле валиномицина). Молекула валиномицина, «захватив» ион К⁺, образует растворимый в липидах комплекс и проходит через мембрану, затем ион К⁺ остается, а переносчик уходит обратно.
67. Осмос. Характеристики растворов по величине осмотического давления. Фильтрация.

Осмос - односторонняя диффузия воды через полупроницаемую мембрану из р-рас меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией.

Осмотические давление (π) - минимальное гидростатическое давление, которое надо приложить к раствору, чтобы предотвратить осмос.

Гипертонические р. – растворы, у которых π> π плазмы => экзосмос => плазмолиз

Гипотонические р. – растворы, у которых π< π плазмы => эндосмос => гемолиз

Изотонические р. – растворы, у которых π= π плазмы

Фильтрация - движение растворов через поры в мембране под действием градиента давления.
68. Активный транспорт веществ через плазматические мембраны. Опыт Уиссинга. Первичный активный транспорт. Принцип работы ионных насосов ( ). Вторичный активный транспорт.

Активный транспорт- перенос молекул и ионов, который происходит за счет энергии гидролиза молекул (АТФ) в область большей концентрации. Активный транспорт присущ только биологическим мембранам. Благодаря активному транспорту сохраняется пространственная неоднородность в клетке (отличие внутриклеточной среды от внеклеточного пространства), создаются и поддерживаются градиенты концентраций, электрических потенциалов и т. д.

Источником энергии для первично активного транс­порта веществ является гидролиз АТФ. Вторичным активным транспортом называется перенос через мембрану вещества против гради­ента его концентрации за счет энергии градиента концентрации другого вещества, создаваемого в процессе активного транспорта. В клетках животных основным источником энергии для вторичного активного транспорта служит энергия градиента концентрации ионов натрия, который создается за счет работы Na⁺/K⁺ — АТФазы.

    Существование активного транспорта через биологические мембраны впервые было показано Уссингом в опытах с переносом ионов натрия через кожу лягушки, которая имеет более сложную структуру, чем одиночная мембрана. Кожу лягушки можно представить как два последовательно расположенных барьера (1 и 2). Наружный барьер 1 (мембрана) отличается тем, что он избирательно проницаем для ионов натрия. В то же время внутренняя мембрана 2 более проницаема для калия. Экспериментальная камера Уссинга разделена на две части кожей лягушки. На рисунке кожа лягушки располагается между наружным и внутренним раствором: снаружи и изнутри камеры заполнены раствором Рингера, содержащим ионы натрия, калия, кальция и хлора.

    В результате пассивного транспорта ионы натрия диффундируют из наружного раствора в кожу. При этом цитоплазма заряжается положительно относительно этого раствора. Ионы калия, проходя из цитоплазмы во внутренний раствор, заряжают ее отрицательно. Таким образом, на коже лягушки между внутренним и внешним барьерами возникает разность потенциалов. Через кожу лягушки течет электрический ток I, следовательно происходит односторонний перенос заряженных частиц. Установлено, что ток через кожу течет от внешней среды к внутренней. Таким образом, результаты опыта Уссинга показали, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется законам пассивного транспорта. В этом случае имеет место активный перенос ионов.

В биологических мембранах имеются ионные насосы – специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы). Известны четыре вида ионных насосов, три из которых обеспечивают перенос ионов Na+, К+, Са++ и Н+ через мембраны за счет энергии гидролиза АТФ.

    Натрий-калиевый насос работает при условии сопряжения переноса ионов калия и натрия. Это означает, что если во внешней среде нет ионов калия, не будет активного переноса ионов натрия из клетки, и наоборот. Другими словами, ионы натрия активируют натрий-калиевый насос на внутренней поверхности клеточной мембраны, а ионы калия – на внешней.

    Натрий-калиевый насос переносит из клетки во внешнюю среду три иона натрия в обмен на перенос двух ионов калия внутрь клетки. Один акт переноса требует затраты энергии одной молекулы АТФ. При этом создается и поддерживается разность потенциалов на мембране, причем внутренняя часть клетки имеет отрицательный заряд.
69. Мембранный потенциал покоя. Мембранно-ионная теория образования потенциала покоя. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца. Биологическое значение потенциала покоя.

Разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой - потенциал покоя, обусловлен полупроницаемыми свойствами клеточной мембраны и неравномерным распределением ионов между клеткой и окружающей средой.

Основной вклад в создание и поддержание потенциала покоя вносят ионы натрия, калия и хлора. Суммарная плотность потока этих ионов с учетом их знаков равна:



В стационарном состоянии (когда параметры системы не изменяются) суммарная плотность потока равна нулю, т.е. число различных ионов, проходящих в единицу времени через мембрану внутрь клетки, равно числу ионов, выходящих из клетки через мембрану: J = 0



Мембранно-ионная теория. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов К+ (в ряде клеток и для СГ), менее проницаема для Na+ и практически непроницаема для внутриклеточ­ных белков и других органических ионов. Ионы К+ диффундируют из клетки по концентрационному градиенту, а непроникающие анионы остаются в цитоплазме, обеспечивая появление разности по­тенциалов через мембрану.

Возникающая разность потенциалов препятствует выходу К+ из клет­ки и при некотором ее значении наступает равновесие между выходом К+ по концентрационному градиенту и входом этих катионов по воз­никшему электрическому градиенту.

Мембранный потенциал, при ко­тором достигается это равновесие, называется равновесным потенци­алом.

Его величина может быть рассчитана из уравнения Нернста: ,

и – молярные концентрации ионов по обе стороны мембраны, R – универсальная газовая постоянная, Т – термодинамическая температура, при которой происходит диффузия, F – постоянная Фарадея, Z – заряд иона.
Мембранный потенциал покоя - это дефицит положительных зарядов внутри клетки, образовавшийся за счёт утечки из клетки положительных ионов калия.
70. Потенциал действия: механизм образования, свойства. Фазы потенциала действия. Процессы, приводящие к изменению величины мембранного потенциала. Биологическое значение потенциала действия. Изменение возбудимости мембраны во время потенциала действия.
Потенциал действия - разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой при возбуждении.

В состоянии покоя в результате активного транспорта концентрация ионов К⁺ в мембране значительно выше, чем во внешней среде. Для ионов Na+ все наоборот. При этом на внутренней поверхности мембраны находится отрицательный заряд.
При возбуждении будет происходить следующее:

1 ) Вначале увеличивается проницаемость мембраны для ионов Na⁺. Натриевые каналы открываются лишь при возбуждении. Ионы Na⁺ входят через мембрану внутрь клетки, в результате чего внутренняя поверхность мембраны изменяет свой заряд с «-» на «+», т.е. происходит деполяризация мембраны. В течение этого времени происходит изменение мембранного потенциала.

2) Во время генерации импульса натриевый канал закрывается и открывается калиевый канал. Ионы К⁺ частично покидают клетку, что приводит к восстановлению отрицательного заряда на внутренней стороне мембраны.

3) Наступает рефрактерный период. Мембрана не воспринимает импульс, а возвращается в основное физиологическое состояние.

Таким образом, в мембране для ионов каждого вида (прежде всего для натрия и калия) имеется свой канал, пребывающий в открытом или в закрытом состоянии в зависимости от электрического потенциала мембраны. Благодаря такому устройству удается обеспечить быстрые потоки ионов через мембраны и, как следствие, быстрое изменение разности потенциалов между клеткой и окружающей средой.