физика. Билет 1 Клеточная мембрана определение, функции мембран, физические свойства. Ультразвук способы получения (обратный пьезоэффект, магнитострикция), свойства, механизм влияния на биообъекты.

• Название: Билет 1 Клеточная мембрана определение, функции мембран, физические свойства. Ультразвук способы получения (обратный пьезоэффект, магнитострикция), свойства, механизм влияния на биообъекты.
• Дата: 22.11.2022
• Размер: 1.33 Mb.
• Имя файла: физика.doc
• Тип: Документы; #805709
• страница: 2 из 10

БИЛЕТ № 3

Транспорт неэлектролитов через клеточные мембраны. Простая диффузия. Уравнение Фика. Облегчённая диффузия: механизмы, транспорта (подвижные, фиксированные переносчики), отличия от простой диффузии.

Основные функции сердца: автоматизм, возбудимость, проводимость, сократимость. Конструкция автоматической (проводящей) системы сердца, роль в формировании дипольных свойств сердца.

Магнитный момент электронов, протонов и ядер атомов. Теоретические основы метода ЯМР. Прецессия, Ларморова частота.

1.3. Живые системы на всех уровнях организации – открытые системы, поэтому транспорт веществ через биологические мембраны – необходимое условие жизни. Большое значение для описания транспорта веществ имеет понятие электрохимического потенциала.

Химическим потенциалом данного вещества называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на 1 моль этого в-ва.

Математически химический потенциал определяется как частная производная от энергии Гиббса G по количеству k-го вещества, при постоянстве температуры Т, давления Р и количеств всех других веществ m1:

м (мю) = (dG/dmk)Р,Т,m1

Для разбавленного раствора:

м = м0 +RTlnC, где м0 – стандартный химический потенциал, численно равный химическому потенциалу данного вещества при его концентрации 1 моль/л в растворе.

Электрохимический потенциал – величина, численно равная энергии Гиббса G на 1 моль данного вещества, помещенного в электрическое поле.

Для разбавленных растворов

м (мю с черточкой) = м0 + RTlnC + zFф(фи), где F = 96500 Кл/моль – число Фарадея, z – заряд иона электролита.

Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на 2 основных типа: пассивный и активный.

Пассивный транспорт – это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением. Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и поэтому данный процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии.

Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения молекул. Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика:

Jm = -DdC/dx = -D(Cm2 – Cm1)/1 = D(Cm1 – Cm2)/1,

где Cm – концентрация вещества в мембране около каждой поверхности, 1 – толщина мембраны.

В биологических мембранах был обнаружен еще один вид диффузии – облегченная диффузия. Облегченная диффузия происходит при участии молекул-переносчиков. Облегченная диффузия происходит от мест с большей концентрацией переносимого вещества к местам меньшей концентрацией. По-видимому, облегченной диффузией объясняется также перенос через биологические мембраны аминокислот, сахаров и других биологически важных веществ.

Отличия облегченной диффузии от простой:

перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;

облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других;

есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика.

Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул-переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.

2. 26.Функция автоматизма. Сердце вырабатывает электрич. импульсы при отсутствии всяких внешн. раздражений.

Автоматизмом обладают клетки синоатриального узла и проводящей системы сердца: атриовентрикулярное соединения , проводящей системы предсердий и желудочков. Сократительный миокард лишен функции автоматизма.

На функцию СА-узла и др. водителей ритма большое влияние оказывают симпатическая и парасим. Н.С: активация симпатической системы ведет к увеличению автоматизма клеток СА-узла и проводящей системы.СА-узел вырабатывает импульсы частотой 60—80 в минуту.

Центры автоматизма второго порядка — АВ-соединение — зона перехода АВ узла в пучок Гиса. Частота возникнов. импульсов — 40—60 в минуту.

Центры автоматизма третьего порядка, — нижняя часть пучка Гиса, его ветви и волокна Пуркинье.

2) функция проводимости. Это способность к проведению возбуждения, возникшего в каком-либо участке сердца, к другим отделам мышцы. Волна возбуждения, генерированного в клетках СА-узла, распространяется по внутрипредсердным проводящим путям — сверху вниз и немного влево.

В АВ-узле происходит задержка волны возбуждения, для нормального последовательного возбуждения предсердия и желудочков. От аv-узла волна возбуждения передается на внутрижелудочковую проводящую систему, состоящую из пучка Гиса, его и волокон Пуркинье;

Сердечной мышцы сокращаться в ответ на возбуждение. Этой функцией в основном обладает сократительный миокард. Сокращаясь сердце выполняет насосную функцию.

Сердце возбуждаеться под влиянием импульсов. Функцией возбудимости обладают клетки как проводящей системы, так и сократительного миокарда. Возбуждение возникает в мышечном волокне в результате изменения физ-хим. свойств мембраны клетки и ионного состава вне- и внутриклеточ. жидкости.

Возбудимость — это способность живой ткани реагировать на раздражения изменением физиологических свойств и генерацией процесса возбуждения.

Возбудимостью обладают клетки проводящей системы и сократительного миокарда. Возбудимость неразрывно связана с особенностями функций поверхностной мембраны клетки.

Возбудимость сердца подчиняется закону «все или ничего». Это значит, что допороговые раздражители не вызывают ответа, тогда как раздражители, имеющие пороговую величину, вызывают максимальный по силе ответ. В период возбуждения мышца не воспринимает другие импульсы.

Это свойство называется рефрактерностью. Продолжительность рефрактерной фазы миокарда желудочков человека равна продолжительности систолы. Рефрактерность предохраняет сердце от состояния тетануса.

При возбуждении сократительного миокарда образуется электрический ток (электродвижущая сила), который распространяется в теле человека, как в объемном проводнике, и может быть зарегистрирован в любой точке — как внутри, так и на поверхности тела человека.

Проводимость — способность ткани проводить импульсы возбуждения. Эта функция свойственна проводящей системе и сократительному миокарду.

При нормальной проводимости отделы сердца возбуждаются в определенной последовательности.

Скорость проведения импульсов в разных отделах сердца различна.

Максимальная скорость наблюдается на уровне клеток Пуркинье (4000 мм/с), минимальная (50 — 200 мм/с) — в АВ узле.

Проводящая система сердца обеспечивает быстрое проведение импульса, физиологическую временную последовательность возбуждения отделов сердца, относительную синхронность возбуждения.

Проводящая система сердца состоит из

1)синусно-предсердного узла (сино-атриальный узел, узел Киса-Флека

2)межузловых мышечных путей предсердий

3) предсердно-желудочкового узла (атриовентрикулярный узел, узел Ашоффа-Тавары

3)предсердно-желудочкового пучка (атриовентрикулярный пучок, пучка Гиса, с его левой и правой ножками, которые разветвляются в мышце желудочков волокнами Пуркинье.

Структуры проводящей системы образованы специализированными видами кардиомиоцитов, обладающими свойствами автоматизма и высокой скоростью проведения возбуждения.

1. Синусно-пр. узел — источник возникновения электр. импульсов в норме. Этот узел расположен в верхней части правого предсердия, между местом впадения верхней и нижней полой вены.

2. ПЖ узел (атриовентрикулярный,) -это “фильтр” для импульсов из предсердий. Расположен возле самой перегородки между предсердиями и желудочками. В AV-узле самая низкая скорость распространения импульсов во всей проводящей системе сердца.

3. Пучок Гиса не имеет четкой границы с AV-узлом, проходит в межжелудочковой перегродке и имет длину 2 см, потом он делится на лев. и прав. ножки соответственно к лев. и прав. желудочку. Поскольку левый желудочек работает интенсивнее и больше по размерам, то левой ножке приходится разделиться на две ветви — переднюю и заднюю.

4. Волокна Пуркинье связывают конечные разветвления ножек и ветвей пучка Гиса с сократительным миокардом желудочков.


3. 61.Электроны вращаются по орбите вокруг ядра. Можно рассматривать как микроток, который характеризуется орбитальным магнитным моментом

Рорб=e*υ*R/2

R – радиус орбиты

е – заряд электрона

υ – скорость движения

Кроме этого электроны вращаются вокруг своей оси. Это вращение характеризуется спиновым магнитным моментом.

РS=e*h/4πm

e - заряд

h – постоянная Планка

m – масса электрона

РS=0,93*10-23Дж/Тл=µб магнетон Бора

µб-единица измерения магнитных моментов.

Полный магнитный момент атома складывается из орбитального и спиновых магнитных моментов всех электронов.

Рм.а.=ΣРорб+ΣРS

ЯМР – ядерно-магнитный резонанс. В 1972 году Лаутебу предлагает использовать ЯМР для получения изображения и уже в 1977 получен первый снимок грудной клетки при помощи ЯМР. Широкое применение начинается с 80-х. ЯМР→МРТ (магнитно-резонансная терапия).

ЯМР – физическое явление, основанное на свойствах некоторых атомных ядер при помещении их в постоянное электромагнитное поле поглощать энергию в радиочастотном диапазоне и излучать её после прекращения действия импульса.

Достоинства: неинвазивность, безвредность, высокая дифференциация мягких тканей, естественный контраст движения крови, трёхмерный характер изображения.

Недостатки: высокая стоимость оборудования и его эксплуатации, высокие требования к помещениям, невозможность обследования больных с клаустрофобией, больных с метал. имплантантами.

Ларморова частота — угловая частота прецессии магнитного момента, помещенного в магнитное поле.

В формуле Ларморова частота учитывается то магнитное поле, которое действует на месте нахождения частицы. Это магнитное поле состоит из внешнего магнитного поля B и других магнитных полей, которые возникают из-за электронной оболочки или химического окружения.

— Ларморова частота

— Заряд электрона

— Вектор магнитной индукции

— Масса электрона

БИЛЕТ № 4

Транспорт ионов через клеточные мембраны. Электрохимический потенциал. Уравнение Теорелла. Уравнение Нернста-Планка. Смысл уравнений.

Электрический диполь. Определение. Электрический момент диполя. Токовый диполь. Определение. Механизм формирования дипольных свойств живого сердца.

Идеальный колебательный контур. Процессы, происходящие в колебательном контуре. Механизм образования электромагнитных волн. Формула Томсона.

1.4. Живые системы на всех уровнях организации – открытые системы, поэтому транспорт веществ через биологические мембраны – необходимое условие жизни. Большое значение для описания транспорта веществ имеет понятие электрохимического потенциала.

Химическим потенциалом данного вещества называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на 1 моль этого в-ва.

Математически химический потенциал определяется как частная производная от энергии Гиббса G по количеству k-го вещества, при постоянстве температуры Т, давления Р и количеств всех других веществ m1:

м (мю) = (dG/dmk)Р,Т,m1

Для разбавленного раствора:

м = м0 +RTlnC, где м0 – стандартный химический потенциал, численно равный химическому потенциалу данного вещества при его концентрации 1 моль/л в растворе.

Электрохимический потенциал – величина, численно равная энергии Гиббса G на 1 моль данного вещества, помещенного в электрическое поле.

Для разбавленных растворов

где F = 96500 Кл/моль – число Фарадея, z – заряд иона электролита.

Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на 2 основных типа: пассивный и активный.

Пассивный транспорт – это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением. Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и поэтому данный процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии.

Плотность потока вещества jm при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла:

Jm = -UCdм(мю с черт.)/dx,

где U – подвижность частиц, С – концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания электрохим. потенциала.

Плотность потока вещества – это величина, численно равная количеству вещества, перенесенного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса:

jm = m/S*t (моль/кВ.м*с)

Подставив выражение для электрохимического потенциала, получим для разбавленных растворов при м0 = const уравнение Нернста-Планка:

jm = -URTdC/dx – UczFdф(фи)/dx.

Уравнение Нернста-Планка описывает процесс пассивного транспорта ионов в поле электрохимического потенциала. Поток I заряженных ионов пропорционален градиенту электрохимического потенциала в направлении оси x и зависит от подвижности u и концентрации C ионов:

, где

F - число Фарадея, 
Z - валентность иона, 
T - абсолютная температура, 
R - газовая постоянная, 
 - электрический потенциал на мембране.

Итак, могут быть две причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации dC/dx и градиент электрического потенциала dф/dx.

Знаки минусов перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от мест с большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией, а градиент электрического потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим к местам с меньшим потенциалом.

Электрохимический потенциал является энергией ионов:

температуры, R - универсальная газовая постоянная, T - температура, C - концентрация иона, z - электрический заряд, F - константа Фарадея, φ - электрический потенциал.

Зависимость потока ионов J от электрохимического градиента определяется уравнением

Ионные каналы-это отверстия в мембр., заполненные водой между интегральными. Они допускают перемещение только одного вида ионов. Существуют натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные.

2.27. Расстояние между зарядами называется плечом диполя.

Основной характеристикой диполя является векторная величина, называемая электрическим моментом диполя (P).



В сердце множество элементарных диполей. Все диполи можно просуммировать и заменить одним результирующим диполем.

Каждый заряд создает свое электрическое поле. Источником электрического поля является электрический диполь.

Электрическое поле диполя

Диполь является источником электрического поля, силовые линии и эквипотенциальные поверхности которого изображены на рис.



Центральная эквипотенциальная поверхность представляет собой плоскость, проходящую перпендикулярно плечу диполя через его середину. Все ее точки имеют нулевой потенциал (φ = 0). Она делит электрическое поле диполя на две половины, точки которых имеют соответственно положительные(φ > 0) и отрицательные (φ < 0) потенциалы.

Токовый диполь

Токовый диполь – система из двух полюсов источника тока, помещенных в проводящую электролитическую среду

Р ис. 13.6. Экранирование диполя в проводящей среде

В непроводящей среде электрический диполь может сохраняться сколь угодно долго. Но в проводящей среде под действием электрического поля диполя возникает смещение свободных зарядов, диполь экранируется и перестает существовать (рис. 13.6).

Для сохранения диполя в проводящей среде необходима электродвижущая сила. Пусть в проводящую среду (например, в сосуд с раствором электролита) введены два электрода, подключенные к источнику постоянного напряжения. Тогда на электродах будут поддерживаться постоянные заряды противоположных знаков, а в среде между электродами возникнет электрический ток. Положительный электрод называют истоком тока, а отрицательный - стоком тока.



Расстояние между истоком и стоком тока (L) называется плечом токового диполя.

3. 50.Колебательный контур называется идеальным, если в нем нет потерь энергии на нагревание соединительных проводов и проводов катушки( пренебрегают сопротивлением R, т.е в котором отсутствует сопротивление проводников), а следовательно, не происходит необратимых преобразований энергии. Реально таких идеальных контуров в природе и технике не существует. Это - идеализация, помогающая изучить явления, происходящие в контуре.

Процессы в колебательном контуре

После замыкания ключа под действием электрического поля конденсатора в цепи появится электрический ток, сила тока i которого будет увеличиваться с течением времени. Конденсатор в это время начнет разряжаться, т.к. электроны, создающие ток уходят с отрицательной обкладки конденсатора и приходят на положительную. Вместе с зарядом q будет уменьшаться и напряжение u При увеличении силы тока через катушку возникнет ЭДС самоиндукции, препятствующая изменению силы тока. Вследствие этого, сила тока в колебательном контуре будет возрастать от нуля до некоторого максимального значения в течение некоторого промежутка времени, определяемого индуктивностью катушки.

Заряд конденсатора q уменьшается и в некоторый момент времени становится равным нулю (q = 0, u = 0), сила тока в катушке достигнет некоторого значения.

Без электрического поля конденсатора (и сопротивления) электроны, создающие ток, продолжают свое движение по инерции. При этом электроны, приходящие на нейтральную обкладку конденсатора, сообщают ей отрицательный заряд, электроны, уходящие с нейтральной обкладки, сообщают ей положительный заряд. На конденсаторе начинает появляться заряд q (и напряжение u), но противоположного знака, т.е. конденсатор перезаряжается. Теперь новое электрическое поле конденсатора препятствует движению электронов, поэтому сила тока i начинает убывать. Опять же это происходит не мгновенно, поскольку теперь ЭДС самоиндукции стремится скомпенсировать уменьшение тока и «поддерживает» его.

Далее сила тока становится равной нулю, а заряд конденсатора достигнет максимального значения Qm (Um).

И снова под действием электрического поля конденсатора в цепи появится электрический ток, но направленный в противоположную сторону, сила тока i которого будет увеличиваться с течением времени. А конденсатор в это время будет разряжаться (см. рис. 2, положение 6)до нуля (см. рис. 2, положение 7). И так далее.

Механизм образования электромагнитных волн.

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей: изменение одного поля приводит к появлению другого. Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция. Следовательно, для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. При этом условии напряженность электрического поля и индукция магнитного поля будут меняться быстро.

Период собственных колебаний контура определится по формуле Томсона:

L – индуктивность

C - ёмкость конденсатора

T - период колебания