Лекции_Медицинская физика. Лекции по курсу Медицинская физика для специальности "Лечебное дело"
 Скачать 4.42 Mb.
|
|
§ 38. Виды транспорта через мембрану 1. Пассивный транспорт. Происходит за счёт разности концентраций. Есть несколько видов пассивного транспорта (рис. 35). Химическая энергия не затрачивается. Простая диффузия (по закону Фика). Это диффузия кислорода, углекислого газа, ряда лекарственных веществ. Процесс медленный. Транспорт через каналы (поры). Через них идут молекулы воды, крупные ионы. Каналы увеличивают проницаемость мембран и обеспечивают селективность. Облегчённая диффузия – перенос ионов специальными молекулами- переносчиками, за счёт диффузии переносчика вместе с веществом. Наиболее подробно это изучено для переноса ионов некоторыми антибиотиками, например валиномицином. Последний повышает проницаемость мембран для K + Эстафетная передача – здесь образуется из молекул-переносчиков временные цепочки поперёк мембраны, которые передают друг другу диффундирующую молекулу. Грамицидин передаёт ион Na + (эстафетно). 2. Активный транспорт. Перенос происходит при затратах химической энергии. При этом нейтральные молекулы переносятся в область большей концентрации, а ионы против сил, действующих на них со стороны поля. Движение здесь происходит противоположно движению по уравнению Рис. 35. 72 Нернста–Планка. Энергия получается за счёт гидролиза молекулы АТФ – аденозинтрифосфорной кислоты. На рис. 36. показана схема транспорта. Захватив одним активным центром ион калия из наружной среды, а другим ион натрия из внутренней, система, потребляя АТФ, поворачивается внутри мембраны на 180°, после чего ионы освобождаются. Молекула белка принимает затем исходное положение, и далее всё повторяется. За счёт этого транспорта клетка поддерживает внутри себя высокую концентрацию калия и низкую натрия. Активный транспорт обеспечивает механизм селективной проницаемости клеточных мембран. § 39. Биоэлектрические потенциалы Биоэлектрический потенциал – это разность потенциалов между двумя точками живой ткани, определяющая её биоэлектрическую активность. Биопотенциал имеет мембранную природу. Для подвижности иона U m есть формула Эйнштейна: RT D U m Можно считать, что поле внутри мембраны однородно. Тогда L dx d m ; m - разность потенциалов между стенками мембраны; L - ее толщина. Уравнение Нернста-Планка примет вид: L RT ZF c dx dc D J m / Величина RT ZF m – называется безразмерный потенциал. L c dx dc D J / ; Рис. 36. 73 Решая это уравнение методом разделения переменных получим: ); 1 /( ) ( 0 e e c c L Dk J i здесь 0 c c k i - коэффициент расширения вещества; i c и 0 c – концентрации частей внутри и снаружи клетки соответственно. ; ) 1 ( ) ( 0 e e c c P J i (***) L Dk P Потенциал покоя – разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой в нормально функционирующей клетке. Основной вклад в суммарный поток ионов через мембрану, а, следовательно, в создание и поддержание потенциала покоя вносят ионы Na + , K + , Cl - . Суммарная плотность потока равна: 0 Cl K Na J J J J ; – стационарное состояние. С учётом уравнения (***) 0 1 ] Cl [ ] Cl [ 1 ] K [ ] K [ 1 ] Na [ ] Na [ 0 Cl 0 K 0 Na e e P e e P e e P i i i ) ] Cl [ ] K [ ] Na [ ( ] Cl [ ] K [ ] Na [ Cl 0 K 0 Na 0 Cl K Na i i i P P P e P P P ; ] Cl [ ] K [ ] Na [ ] Cl [ ] K [ ] Na [ Cl 0 K 0 Na 0 Cl K Na i i i P P P P P P e Это уравнение логарифмируем и заменяем на м i i i м P P P P P P F RT ] Cl [ ] K [ ] Na [ ] Cl [ ] K [ ] Na [ ln Cl 0 K 0 Na 0 Cl K Na Это уравнение Гольдмана–Ходжкина–Катца. Оно отражает состояние системы в том случае, когда через мембрану идут встречные потоки ионов. Диффузия K + и Cl - идёт в обе стороны, Na + только внутрь. Однако АТФ интенсивно выводит Na + из клетки, а K + в клетку. Основной вклад в потенциал покоя вносят только K + и Cl - . Расчёт даёт ≈ -60 мВ ((-) со стороны цитоплазмы). 74 Все живые клетки при действии различных раздражителей переходят в возбуждённое состояние. При этом разность потенциалов меняется, появляется электрический импульс. Он определяет потенциал действия. Потенциал действия – разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой при возбуждении клетки. При возбуждении мембрана меняет избирательную проницаемость: из проницаемой для K + она становится проницаемой для Na + (в течение 0,5– 1 мсек) Na + снаружи больше и он устремляется внутрь, перезаряжая мембрану с -60 до +30 мВ (проницаемость возрастает в 5000 раз). Затем поступление Na + прекращается. Натриевые каналы закрываются, но открываются калиевые. Калий выходит из клетки до тех пор, пока не восстановится первоначальный потенциал. В результате таких движений ионов должна меняться разность концентраций ионов калия и натрия внутри и снаружи клетки. В клеточную мембрану встроены различные белковые молекулы. Некоторые из них играют роль своеобразных насосов, закачивающих ионы калия внутрь, а ионы натрия – наружу (активный ионный транспорт). Энергию для этого даёт распад молекулы АТФ. 1 мол. АТФ 2 иона K + и 3 иона Na + Важную роль в осуществлении клеточных функций играет ион кальция. Так для мышечного сокращения нужно много кальция и его необходимо доставлять к каждой из белковых фибрилл, пронизывающих тело клетки, а затем также быстро убрать от фибрилл, чтобы мышца могла расслабиться. Наружная мембрана не может обеспечить быстрого перемещения. Внутри мышечных клеток имеется разветвлённая система полостей и трубочек, образованных специальной внутренней мембраной, в которой хранится кальций. Вся эта мембрана покрыта кальциевыми насосами. Энергия поступает также от АТФ. Рассмотрим распространение потенциала действия по нервному волокну (по аксону). Между возбуждёнными и невозбуждёнными участками 75 нервного волокна потечёт электрический ток, так как у возбуждённого участка внутренняя поверхность имеет (+) заряд, а у невозбуждённого (-) заряд. Между ними возникает разность потенциалов ΔU. Этот локальный ток служит раздражителем для невозбуждённых участков. В них также возникает возбуждение, то есть потенциал действия и так далее. Локальный ток вызывает увеличение проницаемости мембраны соседних участков. В то же время в ранее возбуждённом участке происходят восстановительные процессы реполяризации. Процесс распространения потенциала действия происходит гораздо медленнее, чем течёт локальный электрический ток. 76 Оглавление Механические свойства тканей ................................................................................................ 2 § 1. Способы деформирования ................................................................................................. 2 § 2. Виды деформаций .............................................................................................................. 4 § 3. Механические свойства биологических тканей ................................................................ 5 § 4. Механические колебания ................................................................................................... 8 § 5. Механические волны ....................................................................................................... 14 § 6. Эффект Доплера ............................................................................................................... 15 § 7. Акустика, звук .................................................................................................................. 16 § 8. Физика слуха .................................................................................................................... 19 § 9. Ультразвук ........................................................................................................................ 24 § 10. Вязкость жидкости ......................................................................................................... 25 § 11. Ньютоновские и неньютоновские жидкости ................................................................ 26 § 12. Формула Пуазейля ......................................................................................................... 28 § 13. Физические основы гемодинамики ............................................................................... 30 § 14. Измерение давления крови ............................................................................................ 32 § 15. Сердце как насос ............................................................................................................ 32 § 16. Физические основы электрографии ............................................................................... 34 § 17. Теория отведений Эйнтховена. Анализ электрокардиограмм ..................................... 36 § 18. Допущения теории Эйнтховена ..................................................................................... 37 § 19. Электромагнитные колебания ....................................................................................... 39 § 20. Электромагнитные волны .............................................................................................. 41 § 21. Физические процессы в тканях при воздействии током и электромагнитными полями ..................................................................................................................................... 42 § 22. Воздействие импульсными токами ............................................................................... 43 § 23. Действие магнитного поля ............................................................................................. 45 § 24. Действие постоянного электрического поля ................................................................. 46 § 25. Действие переменного электрического поля (УВЧ) ..................................................... 46 § 26. Действие СВЧ волн ........................................................................................................ 47 § 27. Импеданс тканей организма. Реография ....................................................................... 47 § 28. Физические основы зрения ............................................................................................ 48 § 29. Тепловое излучение ....................................................................................................... 51 § 30. Рентгеновское излучение ............................................................................................... 53 § 31. Рентгеновская компьютерная томография .................................................................... 56 § 32. Радиоактивность ............................................................................................................. 58 § 33. Биофизическое действие ионизирующего излучения .................................................. 60 § 34. Дозиметрия ..................................................................................................................... 62 § 35. Собственные физические поля организма человека ..................................................... 64 § 36. Акустические поля человека ......................................................................................... 66 § 37. Физические процессы в мембранах ............................................................................... 67 § 38. Виды транспорта через мембрану ................................................................................. 71 § 39. Биоэлектрические потенциалы ...................................................................................... 72 Оглавление .............................................................................................................................. 76 |