Современные методы биологических исследований. Практикум по биофизике под ред. Рубина

Биофизика

Литература:

· Самойлов В.О. «Медицинская биофизика». СПб.: Спец лит., 2004;

· Владимиров Ю.А. Биофизика, М.: Медицина;

· Антонов В.Ф. Биофизика, М: ВЛАДОС, 2000;

· Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, М.: Дрофа, 2007;

· Губанов Н.И. Медицинская биофизика;

к лабораторным:

· Современные методы биологических исследований. Практикум по биофизике под ред. Рубина;

· Блохина М.Е. и др. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике;

Глава 1. Введение

§1.1. Предмет биофизики

Биофизика – наука, изучающая физические и физико-химические процессы, которые протекают в биологических системах.

Основнаязадача – показать каким образом физические и физико-химические процессы в организме переходят в физиологические.

 

Направления биофизики:

– молекулярнаябиофизика (исследуются вопросы свойств, строения главным образомбиологическихбелков, биологических молекул), термодинамика и кинетика;

– биофизикаклетки (структура клетки, физические и физико-химические особенности), проявление биологической активности;

– биофизикаоргановчувств (трансформация энергии внешнего воздействия ощущения живых существ);

– биофизикасложныхсистем (проблемы регулирования многоклеточных систем, термодинамические и кинетические особенности, наследственность, изменчивость);

– биофизическиеосновыэкологии (первичные реакции биологических систем (человека), внешние воздействия (радиация, электромагнитные поля и пр.)

 

Глава 2. Термодинамика биологических систем

§2.1. Основные понятия термодинамики

Существование живого организма связано с преобразованием в нем энергии.

Термодинамика – наука о законах превращения энергии из одного вида энергии в другой. Не исследует механизмы явлений, а дает только ответ на вопрос, возможно ли это явление с энергетической точки зрения.

Система – совокупность материальных объектов, выделенных каким-либо образом из среды. В зависимости от характера взаимодействия со средой, различают системы:

· изолированная (не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией)

· замкнутая (обменивается с окружающей средой только энергией)

· открытая система (может обмениваться и веществом и энергией)

Энергия системы может быть представлена из:

· энергия как целого (зависит от положения системы)

· внутренняя энергия (энергия тепловая, химическая, ядерная)

W=W_цел+U

§2.2. I закон термодинамики и живые организмы.

Первый закон термодинамики – одна из форм закона сохранения энергии (сформулирован Майером, Джоулем, Гельмгольцем):

Тепло, подведенное к системе, расходуется на увеличение внутренней энергии системы и совершаемую ей работу:

Q=ΔU+A (подведенная Q «+»)

Применительно к биологическим системам:

Энергия усваиваемой пищи затрачивается на увеличение ее внутренней энергии, тепло, которое отдается организмом, и на работу, которая биологическая система совершает:

W_пищи=ΔU+Q+A (отведенная Q «+»)

В тепловой машине происходит преобразование химической энергии топлива в тепло, которая преобразуется в механическую работу.

Человеческий организм во многом схож с химическим источником тока, то есть химическая энергия преобразуется в электрическую или механическую энергию (нет процесса сжигания топлива).

§2.3. Виды работ, совершаемых организмом, источники их энергии

Виды работ:

– химическая

– механическая

– концентрационная

– электрическая

Под химической работой понимают работу по созданию (синтезу) ВМС.

Механическая работа - работа которая совершается мышцами при их сокращении.

Электрическая работа – работа по созданию разности потенциалов.

Концентрационная – работа по перемещению атомов и молекул от одной области концентрации к другой (более большой)

Источник работы – энергия пищи.

Непосредственно энергия пищи редко преобразуется в работу. Пища окисляется, образуя молекулы макроэнергии, в которых хранится энергия (АТФ). Энергия из АТФ в АДФ выделяется при гидролизе под действием фермента:

АТФ+H₂O АДФ+H₃PO₄+E₁

§2.4. Тепловой баланс организма. Химическая и физическая терморегуляция

Выделяют два вида теплообразования:

· первичное тепло (выделяется при биологическом окислении в процессе синтеза АТФ);

· все остальное теплообразование, происходящее при синтезе молекул, создании концентраций, называют вторичным.

О₂

продукты расщепления

организм ч-ка

Углеводы, белки, жиры

W

фотосинтез → → → →

СО₂ Н₂О

 

 

Σ 90 Вт – основной обмен.

Тепловой баланс:

Q_выдел.=Q_отвед.

Механизмы отвода тепла:

– теплопроводность (через одежду)

– конвективный перенос тепла (свободный и вынужденный):

Q=α(t-t_возд.)·S

S – поверхность, с которой происходит перенос тепла

– излучение:

Q=Σσ₀T"·S

– испарение воды с поверхности тела:

(если t_окр.ср.>36º, то работает только испарение)

Q=mL

L – удельная теплота испарения.

Физическаяихимическаятерморегуляция:

· Химическая терморегуляция заключается в том, что происходит изменение протекания реакции биологического окисления.

· Физическая терморегуляция – изменяется размер (диаметр) кровеносных сосудов, ⇒ изменяется объемная скорость кровотока ⇒ изменяется количество тепла, которое отводится от внутренних органов к кожным покровам.

§2.5. Понятие энтропии

Энтропия – функция состояния системы, т.е. определяющаяся параметрами система в том состоянии, в котором она находится, независимо от пути, которым она пришла в это состояние.

Изменение энтропии замкнутой системы при элементарном обратимом процессе:

dQ – количество тепла, которое подводится из вне к системе.

dS – изменение энтропии.

Обратимый процесс – процесс перехода 1→ 2, если можно совершить обратный процесс из 2 в 1 через все промежуточные состояния так, чтобы после возвращения системы в исходное состояние в окружающих телах не произошло изменений.

В природе обратимых процессов не существует.

(но обратимый)

Если процесс не элементарный, то:

По Больцману энтропия связана с термодинамической вероятностью системы (W):

S=klnW S – энтропия

k – постоянная Больцмана

Термодинамическая вероятность (W) какого-то макросостояния системы представляет собой количество микросостояний возможного в пределах данного макросостояния системы.

Рассмотрим пример: четыре молекулы, образующих изолированную систему, находясь в сосуде, который мысленно разделим на две половины, и рассмотрим вероятность их нахождения в сосуде.

 

№ макросост-я	Варианты размещения молекул	Число микросост-й (термодинамическая вероятность), W	Мат. вер-ть	Энтропия сост-я, S=klnW
в лев. полов.	в прав. полов.
	a, b, c, d	–		1/16	S=kln1=0
	a, b, c	d		1/4	S=kln4=1,4k
a, b, d	c
a, c, d	b
b, c, d	a
	a, b	c, d		3/8	S=kln6=1,8k
a, c	b, d
a, d	b, c
b, c	a, d
b, d	a, c
c, d	a, b
	a	b, c, d		1/4	S=kln4=1,4k
b	a, c, d
c	a, b, d
d	a, b, c
	–	a, b, c, d		1/16	S=kln1=0
			Σ=16=N

N – общее количество микросостояний.

Математическая вероятность рассмотренного макросостояния:

§2.6. Формулировка II-го закона термодинамики для изолированных и замкнутых систем

II-й закон термодинамики для изолированных систем:

В изолированных системах общее изменение энтропии всегда неотрицательно (оно переходит в наиболее вероятное состояние):

ΔS≥0 (знак «>» относится к необратимым процессам, а «=» – к обратимым)

 

изолированная

система

 

 

Для замкнутой системы, которая может переходить из состояния 1 в состояние 2, II-й закон термодинамики:

, здесь dQ – подводимое из вне тепло.

Следствие из II-го закона термодинамики:

§2.7. II закон термодинамики и живой организм (для открытой системы)

Согласно Пригожину, полное изменение энтропии открытой системы можно представить в виде двух частей:

ΔS=ΔS_i+ΔS_e

Причина 1-й части (ΔS_i) – внутренние процессы; а ΔS_e – обмен веществом и энергией с окружающей средой (внешние процессы).

ΔG=ΔG_i+ΔG_e ΔG - изменение свободной энергии по Гиббсу

Всегда в реальных системах: ΔS_i>0, ΔG_i<0;

ΔS_e и ΔG_e могут быть и «+» и «–».

Если организм отдает тепло в окружающую среду:

(ΔQ<0, то есть отводится)

В термодинамике вводят при непрерывном изменении энтропии во времени скорость изменения энтропии:

- продукция энтропии,

- поток энтропии.

⇒ II-й закон термодинамики в открытых системах:

В открытых системах продукция энтропии всегда положительна, а внутреннее изменение свободной энергии всегда отрицательно, то есть , .

В изолированной системе: ⇒

§2.8. Стационарное состояние. Теорема Пригожина

Особую роль стационарное состояние.

Стационарное состояние является более выгодным.

Термодинамическое условие стационарного состояния: или (изменение продукции энтропии компенсируется отводом в окружающую среду).

Теорема Пригожина:

В стационарном состоянии продукция энтропии имеет постоянное и минимальное значение, то есть:

КПД системы в стационарном состоянии является максимальным.

Теорема Пригожина справедлива для линейных систем, для систем которые близки к стационарному состоянию.

Глава 3. Кинетика биохимических процессов

Кинетика биохимических процессов с позиции физической химии изучает механизмы физических превращений в зависимости от различных факторов (температура, давление, ph, катализаторы).

§3.1. Основные определения и законы кинетики химических реакций

Пусть в замкнутых системах протекает химическая реакция:

ν₁A₁+ ν₂A₂+… +ν_mA_m ⇄ ν'₁B₁+ ν'₂B₂+…+ ν'_eB_e, (1)

где ν_i – стехиометрические коэффициенты,

A_i – исходные вещества,

B_i – продукты.

Скорость образования или расходования компонента:

, (2)

, (3)

Скорость химической реакции – это величина

(4)

i - любой компонент реакции.

Скорость химической реакции зависит от:

– концентрации реагирующих веществ,

– температуры,

– катализаторов.

Согласно каталитической, скорость химической реакции определяется числом столкновений молекул друг с другом в единицу времени.

В соответствии с теоремой о произведении вероятностей (вероятность любого события, состоящего из нескольких событий, равно произведению вероятностей этих событий), ⇒ скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций в степени их стехиометрических коэффициентов:

– закон действующих масс (5)

k – константа скорости.

Чтобы преодолеть барьер при отталкивании, молекулы должны обладать определенным потенциалом:

E_A – энергия активации.

Доля молекул, обладающих энергией, большей, чем E_A, определяется уравнением Больцмана:

n₀ – количество всех молекул

n – количество тех, которые обладают энергией > E_A.

Если концентрации всех веществ в уравнении (5) были равны 1, то k пропорциональна числу ударений молекул.

, (уравнение Аррениуса)

A – количество соударений между молекулами в единицу времени.

Согласно кинетической теории:

,

,

.

N_A – число Авогадро,

k – постоянная Больцмана.

Вводят поправочный множитель:

, p – стерический множитель.

· Существует теория, согласно которой, молекула ударяется не при каждом соударении, поэтому вводят p, который должен быть p≤1.

· Другая теория, которая может объяснить возникновение p, называется теорией активированного комплекса: между исходным и конечным состоянием существует промежуточное состояние, которое называется активированным комплексом, p определяется энтропией образования активированного комплекса.

, S_A может быть и «+» и «–».

Если S_A>>0, то p>1 (быстрые реакции – быстрее, чем по уравнению Аррениуса)

Если S_A≈0, то p≈1 («нормальные» реакция)

Если S_A<<0, то p<1 («медленные» реакции)

Из уравнения Аррениуса , что скорость химической реакции зависит от температуры.

Влияние температуры на скорость химических реакций определяется уравнением Вант-Гоффа.

, Q₁₀ – коэффициент Вант-Гоффа (равен отношению температур, отличающихся на 10º).

⇒ Если Е_А достаточно высока, то влияние температуры будет заметно, Q₁₀=1,4÷2,5. Если Е_А мало, то Q₁₀ близок к 1.

§3.2. Действие ферментов биохимических реакций

Ферменты – биологические катализаторы (увеличивают скорость реакции), входят только в промежуточные продукты реакции, теоретически они не расходуются.

Можно выделить два механизма действия ферментов.

1. Снижают энергию активации Е_А.

2. Увеличивают энтропию образования активированного множителя ()

· Если скорость реакции сильно зависит от температуры, то фермент снижает Е_А (исходя из ). Чем выше температура, тем выше скорость реакции,

Q₁₀=2÷2,5

· Если влияние температуры слабое, то фермент увеличивает энтропию образования активированного множителя,

Q₁₀=1÷1,5

Благодаря наличию ферментов происходят реакции, которые невозможны в природе (организме).

S+E ⇄ ES →

S – субстрат

E – фермент

p_i – продукт реакции

ES – активированный комплекс субстрат-фермент

, (уравнение Михаэлисса-Ментен)

с – концентрация

k – константа

υ₀ – максимальная скорость реакции

 

Согласно закона действующих масс, на 1-м этапе реакции, зависимость – линейная, затем фермент расходуется полностью и (υ₀) скорость становится максимальной.

Глава 4. Биологические мембраны

§4.1. Строение и функции биологических мембран

Мембрана состоит из липидов, преимущественно фосфолипидов, так же в ней есть встроенные белки, выполняющие различные функции.

Одна часть фосфолипидов является полярной, другая – неполярной:

 

1 – белки, находящиеся на поверхности (поверхностные белки)

2 – полупогруженные белки

3 – полностью погруженные белки

4 – белки, формирующие «ионный» канал

5 – «ионный» канал

Функциимембран:

1) Механическая (поддерживает структурную целостность того образования, которое она окружает)

2) Барьерная (мембрана является преградой, в ряде случаев, непреодолимой для различных веществ)

3) Матричная функция (мембрана является матрицей (опорой), поддерживающей белковые молекулы, выполняющие различные функции (образование АТФ, метаболические реакции)).

§4.2. Искусственные мембраны

1) На поверхность воды наносится капля органического растворителя, содержащего фосфолипиды (этанол, эфир). Капля растекается по поверхности воды.

2) Липосомы, образуются при обработке смеси воды и фосфолипидов ультразвуком.

Изучают влияние состава фосфолипидов на биологическую мембрану на поверхности липосом.

3) Растворенные фосфолипиды в смеси хлороформа с этанолом (Мюллер)

С помощью этого способа изучают свойства мембран.

Глава 5. Пассивный транспорт веществ через биологические мембраны.

Под транспортом понимается перенос веществ через мембрану;

Пассивныйтранспорт – такой перенос, который осуществляется за счет разностей концентраций, эл. поля, при этом энергия клетки не расходуется

Активныйтранспорт – перенос за счет энергии клетки в противоположную сторону увеличения потенциала.

§5.1. Диффузия

Осуществляется за счет хаотичного движения молекул. Описывается уравнением Фика:

j_iд=-D_igradc_i (1);

j – поток диффузии i-го компонента (моль/м²с)

D_i – коэффициент диффузии

с – концентрация (моль/м³)

Градиент концентрации померить очень трудно, следовательно, удобней измерить концентрацию раствора с одной и другой стороны, поэтому в биологической практике чаще используют

(2),

p_i – проницаемость мембраны по i-му компоненту.

с_i

мембрана

внутри клетки

c_i1

 

 

c_i2 снаружи клетки

 

 

l х

 

Допустим, что (3)

(подставим выраженные из (3) c_iм1 и c_iм2) = = .

Согласно уравнению Фика:

(4)

(5)

§5.2. Миграция

Миграция – перенос под действием разности потенциалов.

(6)

υ_i – скорость i частиц под действием градиента электрического потенциала.

Обычно считают, что скорость движения частиц в растворах пропорциональна силе, действующей на моль этих частиц, не зависимо от природы этой силы.

Пусть кратный заряд протона заряженной частицы Z_i (кратность частицы заряду протона).

Z_ie – заряд частицы.

На одну частицу действует сила, равная:

f = -Z_ie gradφ

На 1 моль частиц действует сила:

f N_A = -Z_ie N_A gradφ = -Z_i F gradφ (6А),

F – число Фарадея.

Следовательно, скорость частиц будет:

υ_i = -u_i Z_i F gradφ, u_i – (коэффициент пропорциональности) подвижность частицы.

поток миграции (согласно выражению 6):

(7)

§5.3. Перенос под действием градиента электрохимического потенциала

Общий поток частицы (когда действует градиент электрич. потенциала и градиент разности диффузии)

(8)

Вводим понятие электрохимического потенциала:

(9)

μ_i – химическая энергия,

Z_iFφ – электр. энергия.

Скорость движения считаем независимо от действующих сил:

(скорость частиц)

Отсюда поток частиц:

(уравнение Теорелла) (10)

Но . Следовательно:

(11)

,

a_i – активность i-го компонента

f_i – коэффициент активности

μ_i0 – химический потенциал чистого компонента

Подставляем полученный gradμ_i в (11):

(12)

Сравнивая 8 и 12, получаем коэффициент диффузии связан с коэффициентом подвижности:

(13)

Если f_i→1 (для ид. разбавляемых растворов):

- уравнение Нернста-Эйнштейна.

Уравнение (8) запишем следующим образом:

(15)

Уравнение 15 проинтегрируем по толщине мембраны:

l – толщина мембраны

φ_м – перепад мембраны внутренней стороны ее относительно внешней.

Введем безразмерный электр. потенциал (ψ):

С учетом 3 и 5:

(17)

Для отрицательных частиц заменим ψ на –ψ:

(18)

§5.4. Простая и облегченная диффузия

Если молекулы диффундирующего вещества движутся без образования комплекса с другими молекулами, то такая диффузия называется простой (описывается уравнением Фика и уравнениями 17 и 18).

Простая диффузия может происходить:

· за счет растворения диффундирующих веществ в липидах мембраны.

· через поры мембраны (так переносятся полярные соединения плохо растворимые в липидах).

Облегченная диффузия – диффузия, при которой диффундир. вещество образует комплексы с молекулами-перевозчиками.

мембрана

А

А + Х→АХ→Х+А

А

 

Х – молекула-перевозчик, А – нерастворимая молекула

 

Существует два типа переноса: когда переносчик остается в мембране (малая карусель), когда переносчик выходит за пределы мембраны (большая карусель)

Уравнение Михаэлисса-Ментен

Существуют переносчики, встроенные в мембрану.

Перенос с одной стороны мембраны на другую осуществляется за счет вращения или деформации сдвига отдельных частей переносчиков

Ионофор – избирательно усиливает перенос через мембрану (например, антибиотик валиномицин образует комплексы с ионами калия).

Кроме того, есть вещества, которые блокируют диффузию.

§5.5. Осмос

Комплексные мембраны обладают свойством полупроницаемости.

Явление переноса растворителя (воды в клетках) через полупроницаемую мембрану, разделяющую растворы разной концентрации, называют осмосом. При этом перенос растворителя осуществляется из области с меньшей концентрацией растворенного вещества в область с большей концентрацией.

Осмотическое давление – (сила, способствующая растворению) давление, которое необходимо приложить к раствору, предотвратить проникновение растворителя в раствор через полупроницаемую мембрану (П=ρgh).

Уравнение Вант-Гоффа (для разбавленных растворов):

П=CRT, С – концентрация раствора.

Рассмотрим две камеры, разделенные полупроницаемой переборкой:

 

1 – растворитель

2 – растворенное вещество

P_β=P_α+П

(условие равновесия)

μ_о1 – химический потенциал чистого растворителя.

x₁ – мольная доля растворителя в растворе

(мольный объем чистого растворителя)

Если в камере α находится чистый растворитель, то есть =1, то:

– уравнение Ван-Лаара

 

.

 

(уравнение Вант-Гоффа) (V – объем раствора)

 

 

Осмотическое давление растворов сахарозы при 30ºС

Концентрация моль/л	Осмотическое давление, МПа
Экспериментальные данные	расчет по уравнению Ван-Лаара	Расчет по уравнению Вант‑Гоффа
0,10	0,25	0,25	0,24
1,0	2,76	2,78	2,27
2,0	5,91	5,93	3,55
3,0	8,63	8,73	4,57
4,0	14,07	14,03	6,05
5,0	18,97	18,54	6,53

 

Для разбавленных растворов электролитов

П=iCRT (i – изотонический коэффициент, который показывает во сколько раз увеличивается количество растворенных частиц при диссоциации молекул) для неэлектролитов i=1.

Клеточная мембрана представляет собой перегородку, которая пропускает воду и плохо пропускает вещества растворенные в цитоплазме.

Осмотическое давление растений 0,5÷2,0 МПа.

В крови человека П=0,78МПа. Если П растет, то появляется чувство жажды.

Растворы с одинаковыми П по сравнению с рассматриваемыми клетками называют изотоническими.

Растворы с П > внутриклеточной жидкости – гипертонические растворы;

Растворы с П < внутриклеточной жидкости – гипотонические.

§5.6. Фильтрация

Фильтрация – движение любой жидкости через поры перегородки под действием перепада давления (гидростатическим)

; Δp – перепад давления на мембране

r, l – радиус и длина канала

μ – динамическая вязкость жидкости

Формула Дарси:

p – давление

ρ_L – плотность жидкости

f_L – объемная плотность

K – коэффициент проницаемости (зависит от размера геометрии пор)

K = γ f_L² (γ зависит от структуры пористого тела).

§5.7. Явления фильтрации и осмоса в процессе обмена водой между кровью и тканью

П=0,76÷0,78МПа (в крови)

Оно обусловлено суммой растворенных в крови веществ.

Онкотическое давление – часть осмотического давления, которое обусловлено присутствием белков в плазме (≈30 мм. рт. ст.). ≈10 мм. рт. ст. – в тканевой жидкости и лимфе.

Под действием разностей этих давлений вода идет из лимфы в кровь; за счет работы сердца гидростатическое давление больше давления межтканевой жидкости ⇒ за счет явления фильтрации вода идет в межтканевую жидкость.

 

Артериал.участок Венозный участок

 

разность гидростат.

давлений сосуд Н₂О 30 20 Н₂О 10

 

разность онкотич. лимфа фильтрация 20 20 осмос 20 мм.рт.ст.

давлений

 

Глава 6. Активный транспорт веществ

Перенос веществ от меньшего электрохимического потенциала к большему за счет активной энергии системы называют активнымтранспортомсистемы.

а₁, а₂ – активности компонента

φ₁, φ₂ – электрические потенциалы по обе стороны мембраны.

· Работанатриево-калиевогонасоса.

Перенос происходит на молекулу АТФ. Ф – фосфаты.

Потенциал цитоплазмы клетки принимает отрицательное значение.

Этот процесс является обратимым, то есть насос работает как регенератор.

– концентрация калия внутри

– концентрация калия снаружи

Z = 1

= –60мВ

=0,340 моль

=0,104 моль

=0,049 моль

=0,463 моль

Энергия гидролиза АТФ: Е=45 кДж/моль

· Кальциевыйнасос

Откачивает ионы кальция из саркоплазмы

Энергия идет на транспорт кальция через мембрану эндоплазматической сети.

Не является гетерогенным (то есть идет только в одну сторону).

· Мембранымитохондрий

Глава 7. Биоэлектрические потенциалы

§7.1. Потенциал покоя

Потенциалпокоя – разность потенциала, измеряется между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны, измеряется в состоянии физиологического покоя клетки.

(1)

- уравнение Гольдмана-Ходштена-Катца (потенциал внутри мембраны относительно межклеточного пространства).

(для аксонов кальмара)

Ион	Концентрация, моль на 1кг Н2О	равновесный нернстовский потенциал
внутри клетки	снаружи клетки
K+		10,0	-90
Na+			+46
Cl-			-29

Согласно уравнению Гольдмана

Если пренебречь всеми членами, кроме одного (т.е. мембрана более проницаема по К⁺, чем по остальным), то получим уравнение Нернста:

;

;

Потенциал действия

Возбудимость – способность клеток к быстрому ответу на раздражение, проявляющуюся через совокупность физической, физико-химической и функциональных… Основная особенность (обязательное условие) – изменение электрического… Потенциал действия – общее изменение разности потенциалов между цитоплазмой клетки и внешней средой, происходящее при…

Кинетика ионных токов через биологическую мембрану

Уравнение, описывающее изменение ионов тока во времени (характер этого изменения), было предложено Ходкином и Хаксли. Они снимали…  

Распространение потенциала действия

  Распределение ПД в одном направлении обусловлено рефрактерностью => клетка теряет способность к возбуждению

Передача возбуждения в синапсах

   

Глава 8. Электрокинетические явления

К электрокинетическим явлениям относят:

- движение фаз гетерогенной системы друг относительно друга при наложении на эту систему внешнего электрического поля; или возникновение электрического поля (разности потенциалов при движении фаз):

- электрофорез, электроосмос, потенциалотечение, потенциалоседание.

Дисперсная фаза – раздробленные частицы того или иного размера, находящиеся в сплошной непрерывной (дисперсионной) среде.

Возникновение разности потенциалов между фазами гетерогенной системы

  1. Диссоциация электрогенных групп или протекание химических реакций.  

Электрофорез

  (формула Смолуховского)  

Электроосмос

Электроосмос – движение дисперсионной среды (жидкости) дисперсионной системы в электрическом поле.

 

 

(+) частица проходит через пору, (-) отталкивается => уровень растворителя повышается.

Высота зависит от подаваемого напряжения.

При работе почек происходит это явление наряду с обычным осмосом.

Потенциал течения и оседания

Потенциал оседания возникает при гравитационном оседании заряженных частиц (явление, обратное электрофорезу).  

Применение электрокинетического потенциала.

Агглютинация (слипание) частиц

Молекулы на поверхности твердых и жидких тел обладают избыточной энергией по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри (поверхностная… Все системы стремятся к уменьшению свободной энергии => каждая… Способность раздробленных частиц сохранить присущую им степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью.

Глава 9. Электропроводность клеток и тканей

§9.1. Эластичность биологических тканей и жидкостей для постоянного тока

 

Уменьшение тока обусловлено явлением поляризации, которое связано с возникновением ЭДС, направленной в противоположную сторону внешнего поля.

Наиболее существенными для биологических объектов являются следующие виды поляризации:

 

1. Дипольная поляризация.

 

 

2. Макроструктурная поляризация.

 

В этом случае обусловлена не молекулами, а какими-то макроструктурами (агрегатами) диполей (молекул).

3. Поверхностная поляризация (образование двойных заряженных слоёв на поверхностях разделов фаз).

4. Концентрационная поляризация (обусловлена изменением концентрации).

Е₀ – электрическое поле в вакууме

Е – электрическое поле в веществе

- диэлектрическая проницаемость.

Поверхность различных тканей отличается в зависимости от ткани:

 

Биологич. ткани	Уд. сопротивление, Ом. м
Спинномозговая	0,55
Кровь	1,66
Мышцы
Тканемозговая и нервная	14,3
Ткань жировая	33,3
Кожа сухая	105
Кость без надкостницы	107

Электропроводимость биологических тканей для переменного тока

  In (мнимая

Глава 10. Действие электрического тока и э/м полей на биологические объекты

Действие электрического тока на биологические ткани

· Действие импульсного тока зависит от формы импульса, амплитуды и продолжительности. Пороговая сила тока – наименьшая величина тока, которая оказывает раздражение…  

Действие переменного магнитного поля

  Возникает ЭДС самоиндукции, токи Фуко:

Действие переменного электрического поля между обкладками конденсатора

  Q = , Q –мощность тепловыделения U = E· l l - расстояние между электродами

Воздействие электромагнитными волнами

- микроволновая терапия (f = 2375 МГц, λ = 12,6 см) - ДВЦ- терапия (терапия дециметровых волн f = 460 МГц, λ = 65,2 см)  

Глава 11. Действие ионизирующих излучений на биологические объекты

Виды ионизирующего излучения. Основы дозиметрии

Ионизирующее излучение – потоки частиц и э/м квантов, которые при взаимодействии со средой могут ионизировать атомы и молекулы среды (рентгеновское,… Независимо от природы ионизирующего излучения его взаимодействие может быть… Доза поглощаемого излучения (Д):

Биологическое действие ионизирующих излучений.

  Рассмотрим радиолиз воды. Н2О → Н2О* (возбужденная молекула воды)

Глава 12. Действие ультразвука на биологические ткани. Его применение в медицине

Характеристики и получение ультразвука

 

Ультразвук – механические колебания среды, частота которых ниже 20 кГц

 

Получение ультразвука:

1. Обратный пьезоэлектрический эффект (при наложении переменного электрического поля к пластинкам кварца они начинают менять свои размеры)

2. Магнитно-стрикционный эффект (некоторые материалы, (железо, никель) изменяют свои размеры под воздействием магнитного поля).

Действие ультразвука. Применение в биологии и медицине

Вт/м2 ρ – плотность среды А – амплитуда колебаний

Глава 13. Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека

Механические свойства биологических тканей

Костная ткань. 2/3 массы кости занимает гидроксилопатит: 3Са3(РО4)2 · Са(ОН)2 + коллаген. Механическая плотность костной ткани ρ = 2400 кг/см3.

Механические процессы в опорно-двигательном аппарате. Уравнение Хилла

- изометрические (при которых длина остается постоянной) - изотонические (при которых остается постоянной сила, развиваемая мышцей). … Чаще всего меняется и сила, и длина.

Структура мышцы и биофизика мышечного сокращения

Фрагмент миофибриллы: Сокращение происходит из-за того, что любой мостик тянет актиновую нить к центру диска А, затем открепляется от актина…

Кинетическая теория мышечного сокращения.

1. Любой поперечный мостик проходит последовательно 3 состояния: · свободное (разомкнутое) · тянущее замкнутое состояние

Глава 14. Биофизика кровообращения

Работа сердца

 

Кинетический компонент работы

υ = 0,7 м/с.

≈ 0,02 Д

(ρ_крови = 1,05 г/см³)

А = 0,14 + 2 · 0,02 + 0,93 = 1,11 = 1,2 Д

А – суммарная работа.

Мощность сердца:

Основные понятия гемодинамики

Различают линейную и объемную скорость.

- линейная скорость.

, м³/с – объемная скорость.

V = l ∙ S, где S – сечение сосуда.

Q = V ∙ S - объемная скорость ( тут V линейная скорость)

Чаще всего в сосудах реализуется ламинарное течение, переход из турбулентного оценивается критерием Re:

Re_кр ≈ 970 ± 80 (т.к. кровь не подчиняется закону Ньютоновской жидкости).

- закон Ньютона (для крови µ изменяется).

τ– касательное напряжение между слоями жидкости.

µ ≈ 10 сП – в мелких артериях.

µ ≈ 800 сП – в капиллярах.

Уравнение деформации кровеносных сосудов

    Р – давление.

Уравнения движения и изменения давления во времени крови в сосуде

(уравнение Пуазеля) Изменение давления затрачивается на преодоление трения о стенки сосудов; будем считать, что при движении крови в…

Эластичная цепь как аналоговая модель кровеносной системы

- емкость сосуда, связанная с эластичностью - индуктивность

Пульсовая волна

Скорость распространения 5-10 м/с. р(о) = ро сonst

Резестивная модель периферического кровообращения

, где ∆ρ – перепад давления на длине l. , (21) где Rг=(гемодинамическое сопротивление)

Гидродинамическая модель кровообращения с сосредоточенными параметрами

    УР – упругий резервуар.

Глава 15. Биофизика внешнего дыхания

Основные термины и определения

Различают 3 этапа дыхания: 1. Внешнее дыхание (обмен газами между кровью легочных капилляров и внешней… 2. Транспорт газов кровью.

Механические процессы в легких. Механическая стабильность альвеол

При выдохе расслабляются мышцы, под давлением перепада давления легкие сжимаются. Атмосферное давление (р) на грудную клетку уравновешивается давлением… Ратм = Рпл + Рэл.гк (1)

Газообмен в легких

(8) Уравнение Фика: (9)

Глава 16. Элементы физики слуха.

Характеристики звука.

, (1) c – скорость звука в среде с плотностью ρ. Уровень интенсивности звука (L):

Строение и физические основы работы уха.

· наружное ухо, · среднее, · внутреннее.