|
физика. Билет 1 Клеточная мембрана определение, функции мембран, физические свойства. Ультразвук способы получения (обратный пьезоэффект, магнитострикция), свойства, механизм влияния на биообъекты.
БИЛЕТ № 1
Клеточная мембрана: определение, функции мембран, физические свойства.
Ультразвук: способы получения (обратный пьезоэффект, магнитострикция), свойства, механизм влияния на биообъекты. Применение в медицине.
Эффективная эквивалентная доза. Единицы измерения. Коэффициент радиационного риска. Связь между эффективной эквивалентной и эквивалентной дозами. Коллективная эффективная эквивалентная доза. Полная коллективная эффективная эквивалентная доза.
1.Клеточная мембрана – это ультратонкая пленка на поверхности клетки или клеточной органеллы, состоящая из бимолекулярного слоя липидов с встроенными белками и полисахаридами.
Функции мембран:
барьерная – обеспечивает селективный, регулируемый пассивный и активный транспорт.
матричная – обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных ферментов относительно субстратов с целью реализации их оптимального взаимодействия.
механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки и внутриклеточных структур
Структурн. основа - двойной фосфолип.слой. Гидрофильные головки фосфолип-в наружу, а гидрофобные внутрь мембраны.
2. 24Ультразвук - упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 20x103 Гц (20 кГц) и до 109 Гц (1 ГГц).
Излучатели ультразвука
Для получения ультразвука в медицине используют обратный пьезоэлектрический эффект. Он состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца, под действием электрического поля деформируется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластинку между обкладками плоского конденсатора, на которые подаются переменное напряжение, то пластинка придет в вынужденные колебания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластинки. Колебания пластинки передаются частицами окружающей среды, что и порождаются ультразвуковую волну.
Некоторые материалы способны изменять свои размеры в магнитном поле. Это явление, получившее название магнитострикции, принципиально не отличается от обратного пьезоэлектрического эффекта. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.
Преобразователи, в которых используются описанные выше явления, называют пьезоэлектрическими.
Свойства ультразвука:
1) Поглощение ультразвука в веществе.
По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы (в воздухе 340 м/с, в воде и мягких тканях
1500 м/с). Однако высокая интенсивность и малая длина УЗ-волн порождают ряд специфических особенностей.
При распространении УЗ в веществе происходит необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в основном в теплоту. Это явление называется поглощением звука. Уменьшение амплитуды колебания частиц и интенсивности УЗ вследствие поглощения носит экспоненциальный характер:
где А, А0 - амплитуды колебаний частиц среды у поверхности вещества и на глубине h; I, I0 - соответствующие интенсивности УЗ-волны; α - коэффициент поглощения, зависящий от частоты УЗ-волны, температуры и свойств среды.
Коэффициент поглощения - обратная величина того расстояния, на котором амплитуда звуковой волны спадает в «е» раз.
Чем больше коэффициент поглощения, тем сильнее среда поглощает ультразвук.
Коэффициент поглощения (α) растет при увеличении частоты УЗ. Поэтому затухание УЗ в среде во много раз выше, чем затухание слышимого звука.
Наряду с коэффициентом поглощения, в качестве характеристики поглощения УЗ используют и глубину полупоглощения (Н), которая связана с ним обратной зависимостью (Н = 0,347/α).
2) Отражение ультразвука. Звуковидение
Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и преломления. Однако эти явления заметны лишь в том случае, когда размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны. Длина УЗ-волны существенно меньше длины звуковой волны (λ = v/ν). Так, длины звуковой и ультразвуковой волн в мягких тканях на частотах 1 кГц и 1 МГц соответственно равны: λ = 1500/1000 = 1,5 м;
= 1500/1 000 000 = 1,5х10-3 м = 1,5 мм. В соответствии со сказанным, тело размером 10 см практически не отражает звук с длиной волны с λ = 1,5 м, но является отражателем для УЗ-волны с λ = 1,5 мм.
Эффективность отражения определяется не только геометрическими соотношениями, но и коэффициентом отражения r, который зависит от отношения волновых сопротивлений сред х (см. формулы 3.8, 3.9):
Для значений х, близких к 0, отражение является практически полным. Это является препятствием для перехода УЗ из воздуха в мягкие ткани (х = 3х10-4, r = 99,88%). Если УЗ-излучатель приложить непосредственно к коже человека, то ультразвук не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. В данном случае малые значения х играют отрицательную роль. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение. Напротив, для обнаружения неоднородностей в среде малые значения х являются положительным фактором.
Биологическое действие ультразвука определяется, главным образом, его интенсивностью и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях УЗ (до 1,5 Вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Ультразвуковые волны малой и средней интенсивности вызывают в живых тканях положительные биологические эффекты, стимулирующие протекание нормальных физиологических процессов.
УЗ большой интенсивности (3-10 Вт/см2) оказывает вредное воздействие на отдельные органы и человеческий организм в целом. Высокая интенсивность ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей. Длительные интенсивные воздействия ультразвуком могут привести к перегреву биологических структур и к их разрушению (денатурация белков и др.). Воздействие интенсивного ультразвука может иметь и отдаленные последствия. Например, при длительных воздействиях УЗ частотой 20-30 кГц, возникающих в некоторых производственных условиях, у человека появляются расстройства нервной системы, повышается утомляемость, существенно поднимается температура, возникают нарушения органа слуха.
Использование УЗ в медицине: терапии, хирургии, диагностике
Деформации под воздействием УЗ используются при измельчении или диспергировании сред.
Явление кавитации используется для получения эмульсий несмешивающихся жидкостей, для очистки металлов от окалины и жировых пленок.
УЗ-терапия.Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым, химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.
В отоларингологии УЗ воздействует на барабанную перепонку, слизистую оболочку носа. Таким способом осуществляют реабилитацию хронического насморка, болезней гайморовых полостей.
УЗ-хирургия.УЗ-хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с воздействием на ткани собственно звуковых колебаний, вторая - с наложением УЗ-колебаний на хирургический инструмент.
УЗ-диагностика.Ультразвуковая диагностика - совокупность методов исследования здорового и больного организма человека, основанных на использовании ультразвука. Физической основой УЗ-диагностики является зависимость параметров распространения звука в биологических тканях (скорость звука, коэффициент затухания, волновое сопротивление) от вида ткани и ее состояния. Для диагностических целей используется УЗ частотой от 0,8 до 15 МГц. Низкие частоты применяются при исследовании глубоко расположенных объектов или при исследовании, проводимом через костную ткань, высокие - для визуализации объектов, близко расположенных к поверхности тела, для диагностики в офтальмологии, при исследовании поверхностно расположенных сосудов.
47.Эффективная эквивалентная доза (DЭЭ)-характеризует суммарный эффект, который оказывает ионизирующее излучение на организм человека, учитывая, что различные органы имеют различную чувствительность ионизирующим излучением. Сильнее всего поражаются красный костный мозг и половые железа, а нервная ткань весьма устойчива.
Коллективная эффективная эквивалентная доза(DКЭЭ) – объективная оценка масштаба радиационного поражения
DКЭЭ= D1ЭЭ+ D2ЭЭ+…+ DnЭЭ
DКЭЭ характеризует повреждающий эффект на популяцию в целом. Единица измерения: человеко-зиверт.
Полная коллективная эффективная эквивалентная доза (DПКЭ) – характеризует повреждающий эффект, которое получит поколение популяции людей живущих в зоне излучения за все последующие годы жизни. Если какое-то количество людей продолжает жить в условиях длительного хронического облучения и известны закономерности изменения радиационного воздействия, рассчитывают ожидаемую Дкээ на определенный предстоящий период времени. Нужна для прогнозирования и мед.проф. мероприятий по их предотвращению
БИЛЕТ № 2
Жидкостно-кристаллическая модель клеточной мембраны. Функции мембранных белков, липидов, углеводов. Латеральная диффузия и флип-флоп переход липидов. Искусственные мембраны. Липосомы.
Электрогенез миокарда сердца: потенциал действия миоцитов желудочков. Механизм их возникновения, форма кривой, фазы.
Мощность дозы. Принцип работы измерителя мощности дозы индикатора радиоактивности «РАДЭКС РД 1503». Определение воздушного слоя половинного и полного поглощения β излучения источника. Определение процентного соотношения β и γ излучений в радиоактивном источнике.
1. 2 Моделью организации на сегодняшний день признана жидкостно-кристаллическая модель. Впервые ее предложили Сингер и Николсон в 1972 г. Согласно этой модели основу любой мембраны составляет двойной фосфолипидный слой. Молекулы фосфолипидов ориентированы так, что их гидрофильные головки выходят наружу и образуют внешнюю и внутреннюю поверхности мембраны, а их гидрофобные хвосты направлены к середине бимолекулярного слоя. Белки как бы плавают в липидном слое. Поверхностные белки располагаются на внешней и внутренней поверхностях мембраны, удерживаясь преимущественно за счет электростатическими силами. Интегральные белки могут пронизывать двойной слой насквозь. Такие белки являются главным компонентом, ответственным за избирательную проницаемость кл. мембраны.
Кроме фосфолипидов и белков в биологических мембранах содержатся и другие хим. соединения (холестерин, гликолипиды, гликопротеиды).
При изменении температуры в мембране можно наблюдать фазовые переходы:плавление липидов при нагревании и кристаллизация при охлаждении.Фазовые переходы связаны с изменением энергии и поэтому могут быть обнаружены по увеличению теплоемкости с при изменении t. ЖК состояние бислоя имеет меньшую вязкость и большую растворимость различных веществ,чем твердого.
Функции мембранных белков. Некоторые мембранные белки участвуют в транспорте малых молекул через мембрану клетки, изменяя ее проницаемость. Мембранные транспортные белки можно подразделить на белки-каналы и белки-переносчики. Белки-каналы содержат внутренние заполненные водой поры, которые позволяют ионам (через ионные каналы) или молекулы воды перемещаться через мембрану. Многие ионные каналы специализируются на транспорте только одного иона; так калиевые и натриевые каналы часто различают эти сходные ионы и пропускают только один из них. Белки-переносчики связывают каждую переносимую молекулу или ион и могут осуществлять активный транспорт с использованием энергии АТФ. Также белки играют важную роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в кл. цикле.
Функции мембранных углеводов. Углеводная часть гликолипидов и гликопротеинов плазматической мембраны всегда находится на наружной поверхности мембраны, контактируя с межклеточным веществом. Полисахариды наряду с белками выполняют роль антигенов при развитии кл. иммунитета. Участвуют в транспорте гликопротеинов, направляя их к месту назначения в клетке или на ее поверхности.
Главная функция мембранных липидов состоит в том, что они формируют бислойный матрикс, с которым взаимодействуют белки.
Латеральная диффузия белков в мембр. -это когда мембр. белки перемещаются вдоль бислоя или поворачиваются вокруг оси, перпен-но его поверхности.
Фермент фосфолипаза А2. Латеральная диффузия интегральных белков в мембране ограничена. Белки мембран в отличие от фосфолипидов не совершают перемещений с одной стороны мембраны на др.-ю. ("флип-флоп" перескоки).
Латеральная диффузия липидов. При переходе бислоя в состояние геля скорость л.д. уменьшается.
Искусственная мембрана - жесткая селективно-проницаемая перегородка, разделяющую массообменный аппарат на две зоны, в к-ых поддерживаются давления и составы разделяемой смеси. Наиболее распространенные—полимерые.Еще есть керамические. Функция- микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, сепарация газа, диализ или хроматография.
Латеральная диффузия – это хаотическое тепловое перемещение молекул липидов и белков в плоскости мембраны. При латеральной диффузии рядом расположенные молекулы липидов скачком меняются местами и вследствие таких последовательных перескоков из одного места в другое молекула перемещается вдоль поверхности мембраны. Среднее квадратичное перемещение молекул при диффузии за время t можно оценивать по формуле Эйнштейна: Sкв = 2кор(Dt), где D – коэф. лат. диффузии молекулы.
Латеральная диффузия интегральных белков в мембране ограничена, это связано с их большими размерами, взаимодействием с др. мембр. белками. Белки мембран не совершают перемещений с одной стороны мембраны на другую ("флип-флоп" перескоки), подобно фосфолипидам.
Перемещение молекул по поверхности мембраны клетки за время t определено экспериментально методом флуоресцентных меток – флуоресцирующих молекулярных групп. Оказалось что среднее квадратичное перемещение фосфолипидной молекулы за секунду по поверхности мембраны эритроцита соответствует расстоянию 5 мкм, что сравнимо с размерами клеток. Аналогичная величина для белковых молекул составила 0,2 мкм за сек.
Рассчитанные по формуле Эйнштейна коэффициенты лат. диффузии для липидов 6*10 (в -12 ст) кВ.м/с, для белков – порядка 10 (в – 14 ст) кВ.м/с.
Частота перескоков молекулы с одного места на другое вследствие лат. диффузии может быть найдена по формуле: v = 2кор(3D/f), где f – площадь, занимаемая одной молекулой на мембране.
Искусственная мембрана обычно представляет собой жесткую селективно-проницаемую перегородку, разделяющую массообменный аппарат на две рабочие зоны, в которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси.Мембраны могут быть выполнены в виде плоских листов, труб, капилляров и полых волокон. Мембраны выстраиваются в мембранные системы. Наиболее распространенные искусственные мембраны — полимерные мембраны. При определённых условиях, преимущественно могут быть использованы керамические мембраны.Некоторые мембраны работают в широком диапазоне мембранных операций, таких, как микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, первапорация, сепарация газа, диализ или хроматография. Способ применения зависит от типа функциональности включеной в мембрану, которые могут быть основаны на изоляции по размеру, химическом родстве или электростатике.
Липосомы. или фосфолипидные везикулы (пузырьки),состоящие из билипидной мембраны и полученные обработкой смеси воды и фосфолипидов ультразвуком.Представляют собой как бы биологическую мембрану,полностью лишенную белковых молекул.Получают обычно при набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании раствора липидов в воду. При этом происходит самосборка бимолекулярной липидной мембраны. При этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и ни один из них не соприкасается с полярными молекулами воды, однако чаще получаются сферические многоламеллярные липосомы, состоящие из нескольких бимолекулярных слоев – многослойные липосомы.
Отдельные бимолекулярные слои многослойной липосомы отделены водной средой. Толщина липидных слоев составляет, в зависимости от природы липидов 6,5 – 7,5 нм, а расстояние между ними – 1,5 – 2 нм. Диаметр многослойных липосом колеблется от 60 нм до 400 нм и более. Однослойные липосомы можно получить различными методами, например из суспензии многослойных липосом, если обрапотать их ультразвуком. Диаметр однослойных липосом составляет 25 – 30 нм. Липосомы представляют собой в некотором роде прообраз клетки. Они служат моделью для исследований различных свойств кл. мембран. Липосомы нашли непосредственное применение и в медицине (фоффолипидная микрокапсула для доставки лекарства в определенные органы и ткани). Липосомы не токсичны, полностью усваиваются организмом.
2.25. ПД мышечной клетки сердца (250-300 мс) отличается от ПД нервного волокна(1 мс) и клетки скелетной мышцы(2-3 мс) прежде всего длительностью возбуждения – деполяризации.
Это позволяет осуществить синхронное возбуждение и сокращение структур сердца для обеспечения выброса крови.
Такие особенности ПД кардиомиоцита обеспечиваются распределением ионов внутри и снаружи клетки. ПД клетки миокарда имеет 3 характерные фазы: 1-деполяризация, 2-плато, 3-реполяризация.
1 фаза: определяется резким ростом проницаемости мембраны для ионов натрия. Порог активации натриевых каналов примерно 60мВ
2 фаза: определяется медленным спадом от пикового значения до нуля. В этой фазе одновременно работают медленные кальциевые каналы (порог активации 30 мВ), калиевые каналы.
3 фаза: характеризуется закрытием кальциевых каналов и усилением выходящего тока К.
Таким образом, ПД кардиомиоцита формируется только пассивными потоками ионов: Na и Са в клетку, К из неё
3.48. Мощностью дозы облучения называется физическая величина равная дозе облучения полученной единицей массы тела в единицу времени
P=D/t
Мощность экспозиционной дозы измеряется в А/кг.
Индикатор радиоактивности РАДЭКС РД 1503 – измеритель мощности дозы, предназначен для измерения уровней гамма-бета радиации и радиоактивной заражённости различных предметов гамма и бета излучением.
Принцип работы прибора заключается в следующем. Бытовой дозиметр Радэкс РД1503 использует счетчик Гейгера-Мюллера, с помощью которого в течение 40 секунд максимально точно подсчитывает количества бета- и гамма-частиц. Затем, Радэкс 1503 осуществляет индицирование полученных данных в единицы измерения, характерные для мощности эквивалентной дозы. Обработанная информация выводится на жидкокристаллический дисплей, встроенный в дозиметр Радэкс РД 1503. Регистрация каждой отдельной частицы во время работы Радекс РД1503 сопровождается отчетливым звуковым сигналом.
Определение воздушного слоя половинного и полного поглощения бета излучения источника:
1.Измерить мощность дозы около источника
2. Измерить мощность дозы на расстоянии 10, 20, 30 и т.д. см от источника
3. Данные зафиксировать в таблице
4. построить график зависимости мощности дозы от толщины слоя воздуха
5. По графику определить толщину слоя воздуха половинного и полного поглощения бета излучения
Определение процентного соотношения бета и гамма излучений в радиоактивном источнике:
1.Найти значение мощности дозы источника (присутствует только гамма), которое не зависит от расстояния (остаётся постоянным при увеличении расстояния)
2. Рассчитать какой процент это значение мощности дозы составляет от начального значения, когда присутствует бета и гамма излучения (при R=0 значение мощности дозы принять за 100%).
|
|
|
Скачать 1.33 Mb.