Биофизика (стр. 3 )

, (8)

где

Решение уровнения (8):

(9)

§7.5. Передача возбуждения в синапсах

Передача возбуждения с одной нервной клетки на другую (с нерв. клетки на эффектор) осуществляется специальными образованиями – синапсами.

Часть синаптической мембраны, лежащая ниже, называется субсинаптической мембраной. Пространство синоптической щели заполнено жидкостью.

Передача возбуждения в синапсе осуществляется электрическим и химическим способом. У человека преимущественно наблюдается химическое распространение в синапсах.

Синапсы выделяют специальные вещества, называемые медиаторами: норадреналин, ацетилхолин. Под действием медиаторов открываются каналы ионов Na, появляется ПД, который называется ВПСП – возбуждающий постсинаптический потенциал.

В тормозных синапсах при действии медиаторов на субсинаптическую мембрану открываются каналы К+ и Сl-, происходит гиперполяризация клетки (т. е. потенциал ещё более положит.), которая передается с субсинаптической мембраны на постсинаптической мембрану => торможение возбуждения клетки

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.

§8.1. Возникновение разности потенциалов между фазами гетерогенной системы

Электрические заряды на поверхности дисперсных частиц могут возникать в результате действия 2-х механизмов:

1. Диссоциация электрогенных групп или протекание химических реакций.

Рассмотрим белковую молекулу:

а) в кислой среде:

(анильная гр.)

NH2 NH3+

| |

R – CH + HCl → R – CH + Cl -

| | противоионы

COOH COOH

белок (карбоксил. гр) (катион белка)

(потенциалобразующий ион)

а) в щелочной среде:

NH2 NH2

| |

R – CH + NaOH → R – CH + Na+ + H2O

| | противоион

COOH COO -

(потенциалобразующий ион)

В результате образуется двойной слой, состоящий из потенциалобразующих и противоионов.

2. Адсорбция.

Структура двойного слоя не зависит от способа образования

ζ – электрохимический (дзета) потенциал

U – термодинамический (межфазный) потенциал

1 – плотная часть двойного слоя (до границы скольжения)

2 – диффузная часть двойного слоя.

Повышение концентрации растворов приводит к вытеснению противоионов из диффузионной части в плотную, при этом дзета-потенциал уменьшается. В этом случае электрокинетического явления не наблюдается. ζ = 0,001 ÷ 0,1 В

§8.2. Электрофорез

Электрофорез – движение частицы дисперсной фазы дисперсионной системы в электрическом поле.

(формула Смолуховского)

ε0– диэлектрическая проницаемость вакуума

ε – относительная диэлектрическая проницаемость

Е – напряженность электрического поля

μ – динамическая вязкость дисперсионной среды

ζ – потенциал практически измерить очень трудно => уравнение служит для расчета потенциала

Высота поднятия частиц ~ ζ потенциалу

ζ потенциал электроцитов (рh = 7,4) ζ = 16,3 мВ

§8.3. 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.

§8.4. Потенциал течения и оседания

Явление возникновения потенциала течения является обратным электроосмосу. Оно заключается в том, что есть движение растворителя через мембрану, не пропускающую частицы дисперсной фазы, т. е. есть разность потенциалов (растворитель за счёт разности давлений "продавливается" через поры, увлекая за собой противоионы => возникает "+" знак в левой части сосуда). Здесь происходит генерация потенциала.

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

§8.5. Применение электрокинетического потенциала.

Агглютинация (слипание) частиц

Любая дисперсионная система стремится прекратить своё существование.

Молекулы на поверхности твердых и жидких тел обладают избыточной энергией по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри (поверхностная энергия).

Все системы стремятся к уменьшению свободной энергии => каждая дисперсионная система стремится уменьшить площадь поверхности контактирующих фаз.

Способность раздробленных частиц сохранить присущую им степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью.

Предотвращение агрегации первичных частиц возможно в результате действия 3-х факторов:

1. Кинетический (частицы редко встречаются друг с другом, наблюдается в очень вязких или разбавленных растворах).

2.Молекулярно-адсорбционный (на поверхности дисперсионных частиц адсорбируются вещества, существенно уменьшающие поверхностную энергию молекулы или изолирующие их друг от друга (чаще всего применяются ПАВ).

3. Электрический фактор (обусловлен тем, что заряженные частицы, обладающие электрокинетическим потенциалом, отталкиваются, тем самым подтверждается их агглютинация).

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	2
Тканемозговая и нервная	14,3
Ткань жировая	33,3
Кожа сухая	105
Кость без надкостницы	107

§9.2. Электропроводимость биологических тканей для переменного тока

Существует с помощью различных мостов

In

(мнимая

часть)

= JR + j Jim

= UR + jUim

φ

Re (действительная часть)

•

= Ỉ R

In

не имеет вида фаз,

Ủ лежат на одной линии

Ỉ

Ỉ Ủ Re

•

= j ωh = XL = jXL, где XL - индуктивное сопр-е.

In

Ток отстаёт по фазе на 900

π/2

Re

•

In

(напр-е отстает от тока на π/2)

π/2

Re

= - j = - j Xc

•

= (R+ j ωL – j )

Ż = R+ j (ωL – ) – импеданс (полное сопротивление)

|Ż| =

Сдвиг фаз между током и напряжением:

φ = arctg , где X= ωL –

В биологических системах индуктивности нет, =>

Биологич. объект	- φ, градусы
Кожа лягушки	55
Нерв лягушки	64
Мышца кролика	65

Модели биологической системы для прохождения по ней перееменного тока.

1) R c

|Ż|

Ż = R-j

R

|Ż| = ω

R

2)

c

Ż =

|Ż|2 =

||

R

ω

3) R1

 

R2 c

|Ż|

Ż1 =R1, Ż2 =R2 – j R1

Ż1· Ż2 = R1R2 – j ω

Ż1 +Ż2 = R1+R2 – j

|Ż1 +Ż2|2 = (R1+R2)2 +

|Ż|2 =

1 – живая ткань

2 – мертвая ткань

Метод, основанный на измерении изменения импеданса процесса сердечной деятельности называется – реография.

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

§10.1. Действие электрического тока на биологические ткани

При действии электрического тока происходит смещение ионов под действием электрического поля => раздражение, а также выделение тепла.

·  Действие импульсного тока зависит от формы импульса, амплитуды и продолжительности.

Пороговая сила тока – наименьшая величина тока, которая оказывает раздражение => пороговая амплитуда. Чем круче фронт импульса, тем больше пороговый ток (наибольший у прямоугольного фронта)

I Iпор. max

Imax

есть раздражение

нет

раздражения

t τ t

Синусоидальный ток.

Действие его оценивают порогом ощутимого тока (min значение тока, который мы ощущаем) и не отпускающего тока (наименьшее значение тока, при котором человек самостоятельно расслабить мышцы не может)

1 – значения ощутимого тока

2 – значения не отпускаемого тока

Ощутимый > 1mA (начинаем ощущать)

Не отпускающий >10mA

·  Токи высоких частот (при f > 500 кГц). При действии переменного тока амплитуда смещения ионов становится соизмеримой с амплитудой тепловых колебаний, поэтому ток высоких частот раздражающего воздействия не оказывает, а только тепловое.

qv – объём плотность тепловыделения

(наибольшее тепло идёт в тканях с наибольшим сопротивлением)

qv = ρ j2, j – плотность тока

Диатермия и местная дарсоновализация основаны на действии токов высоких частот. При диатермии используется f=1 МГц, U=100-150В, J~2-5A; при местной дарсоновализации f=100-400 кГц, ~10кВ, 10-15мA (оказывает прижигающее воздействие).

§10.2. Действие переменного магнитного поля

Наводит вихревые токи в биол. тканях, на чем основан метод индуктотермии (прогревание тканей).

Возникает ЭДС самоиндукции, токи Фуко:

ε = -

Φ = B S

I = ε /R

I = - ,

k1 – коэффициент, зависящий от геометрических факторов.

Пусть индукция определяется гармоническим законом:

B = B0 cos ωt => = - B0 sin ωt => I =

j =

qv =

§10.3. Действие переменного электрического поля между обкладками конденсатора

Q = , Q –мощность тепловыделения

U = E· l l - расстояние между электродами

Q =

R = => Q =

Объем биологического объекта:

V = l· S => Q =

qv =

Для воздействия переменным электрическим током используют аппарат УВЧ (40,88 МГц ).

§10.4. Воздействие электромагнитными волнами

Физиотерапевтические методы, основаны на применении волн СВЧ – диапазона, получили название:

- микроволновая терапия (f = 2375 МГц, λ = 12,6 см)

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

Действие э/м волн основано на их взаимодействии с веществом (водой, например). Молекула Н2О хорошо поглощает э/м волны. Глубина проникновения 3-5 см (микроволн), 9 см (ДВЦ)

Методы	Частота, МГц	Длина, м	Взаимодействие электродов и тела человека	Ф-ла для оценки тепл. эф-та	Распределение тепла в тканях
диатер мия	0,5-2,0	150-600		qv = ζ j2
индукто- термия	10,56)	15-30		qi = ω2В2/ ζ
УВЧ – терапия	40-50 (40,68)	6,0-7,5		q = E2 ζ
Микро- волнов. терапия	102-105 2375	1,0- 10-3		q ~(ЕE0ω/2) π

Глава 11. Действие ионизирующих излучений на биологические объекты

§11.1. 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, γ– излучение).

Независимо от природы ионизирующего излучения его взаимодействие может быть оценено величиной энергии, передающейся 1 молекулой вещества:

Доза поглощаемого излучения (Д):

Д = , Дж/кг (Е – кол-во поглощенной энергии)

1 Дж/кг = 1 Грей (Гр)

Мощность поглощаемого излучения:

P = (Вт/кг) Вт/кг = 1 Гр/с

Единицей дозы поглощения является 1 рад = 10-2 Гр => 1рад/с = 10-2Гр/с

Экспозиционная доза излучения:

Х = [Кл/кг] (является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и γ- лучами)

Т. е. эта доза представляет собой ионы одного знака на массу рассматриваемого объема воздуха.

На практике в системе СГС единицей экспозиционной дозы является 1 рентген(1р), который представляет собой дозу рентгеновского и γ-излучения, при которой в результате полной ионизации в 1 см3 воздуха при 00С и 760 мм. рт. ст. образуются ионы с общим зарядом 1 ед. СГС (см г с)

Плотность воздуха при 00С и 760 мм. рт. ст.:

ρ = 1,293·10-3 г/см3

1 ед. СГС заряда = 3,34 ·10-10 Кл.

1р = (1 ед. СГС) / 1,293·10-6 кг = 3,34 ·10-10 Кл /1,293·10-6 кг = 2,58·10-4 Кл/кг

Ед. мощности экспозиционной дозы 1 А/кг в СИ, 1 р/с в СГС.

Установим связь между дозой поглощенного излучения и экспозиционной дозой:

при экспозиционной дозе Х = 1р в 1 см3 воздуха образуется, по определению, 1 ед. СГС заряда, что соответствует 1ед. СГС / заряд электрона = количество образовавшихся пар ионов = 3,34 ·10-10 Кл. /1,6021·10-19 Кл = 2,08·109 пар ионов. Энергия ионизации в среднем на образ-е 1 пары ионов в воздухе 34 эВ => В 1 кг воздуха поглощается энергия:

(2,08·109 · 34 · 1,6021·10-19 ) Дж / 0,001293 ·10-3 Кг = 88·10-4 Дж/кг = 0,88·102 Гр= 0,88 рад.

Т. о. для воздуха:

Д = 0,88 Х

Для любой среды:

Д = f · Х, для мягких тканей человека и для воды f=1

Биологическое действие ионизирующего излучения зависят не только от поглощенной дозы, но от вида излучения, энергии частиц.

=> К-коэффициент качества, который показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения больше, чем рентгеновское и γ–излучение, при одинаковой дозе поглощенного излучения.

вид излучения	К
рентген., γ- и β-изл.	1
тепловые нейтроны (≈0,01 эВ)	3
нейтроны (≈0,5 МэВ)	7
нейтроны (≥0,5 МэВ)	10
протоны α – излуч-е	20

Представление о биологическом действии ионизирующего излучения дает эквивалентная доза излучения: