 |
Механические волны. Эффект Доплера. Взаимодействие ультразвука с веществом. Применение ультразвука.
|
|
|
|
Механические волны
Распространение колебаний из одного места в другое называется волновым движением, или просто волной. Механические волны образуются вследствие простых гармонических колебаний частиц среды от их среднего положения. Вещество среды не перемещается при этом из одного места в другое. Но частицы среды, передающие друг другу энергию, необходимы для распространения механических волн. Таким образом, механическая волна является возмущением материальной среды, которое проходит эту среду с определенной скоростью, не изменяя своей формы.
Если в воду бросить камень, от места возмущения среды побежит одиночная волна. Однако волны иногда могут быть периодическими. Например, вибрирующий камертон производит попеременные сжатия и разрежения окружающего его воздуха. Эти возмущения, воспринимаемые как звук, происходят периодически с частотой колебаний камертона. Существуют механические волны двух видов. (1) Поперечная волна. Этот вид волн характеризуется вибрацией частиц среды под прямым углом к направлению распространения волны. Поперечные механические волны могут возникать только в твердых веществах и на поверхности жидкостей. В поперечной волне все частицы среды осуществляют простое гармоническое колебание возле своих средних положений. Положение максимального смещения вверх называется " пиком", а положение максимального смещения вниз - " впадиной". Расстояние между двумя последующими пиками или впадинами называется длиной поперечной волны λ.
(2) Продольная волна. Этот вид волн характеризуется колебаниями частиц среды вдоль направления распространения волны. Продольные волны могут распространяться в жидкостях, газах и твердых телах. В продольной волне все частицы среды также осуществляют простое гармоническое колебание около их среднего положения. В некоторых местах частицы среды расположены ближе, а в других местах - дальше, чем в нормальном состоянии. Места, где частицы расположены близко, называются областями сжатия, а места где они находятся далеко друг от друга - областямиразрежения. Расстояние между двумя последовательными сжатиями или разрежениями называются длиной продольной волны.
|
|
|
Выделяют следующие характеристики волн. (1) Амплитуда - максимальное смещение колеблющейся частицы среды от ее положения равновесия (A). (2) Период – время, необходимое частице для одного полного колебания (T). (3) Частота - количество колебаний, произведенных частицей среды, за единицу времени (ν ). Между частотой волны и ее периодом существует обратная зависимость: ν = 1/T. (4) Фаза колеблющейся частицы в любой момент определяет ее положение и направление движения в данный момент. Фаза представляет собой часть длины волны или периода времени. (5) Скорость волны является скоростью распространения в пространстве пика волны (v). Совокупность частиц среды, колеблющихся в одинаковой фазе, формирует фронт волны. С этой точки зрения, волны делятся на два вида.
(1) Если источник волны является точкой, из которой она распространяется во всех направлениях, то образуется сферическая волна.
(2) Если источник волны колеблющаяся плоская поверхность, то образуется плоская волна. Смещение частиц плоской волны можно описать общим уравнением для всех типов волнового движения: S = A·sin ω · (t - x/v) (10) Это означает, что величина смещения (S) для каждой значения времени (t) и расстояния от источника волны (x) зависит от амплитуды колебания (A), угловой частоты ( ω ) и скорости волны (v).
|
|
|
Эффект Доплера
Эффект Доплера - изменение частоты волны, воспринимаемой наблюдателем (приемником) благодаря относительному движению источника волн и наблюдателя. Если источник волн приближается к наблюдателю, число волн, прибывающих к наблюдателю волн, каждую секунду превышает испускаемое источником волн. Если источник волн удаляется от наблюдателя, то число испускаемых волн больше, чем прибывающих к наблюдателю. Аналогичный эффект следует в случае, если наблюдатель перемещается относительно неподвижного источника. Примером эффекта Доплера является изменение частоты гудка поезда при его приближении и удалении от наблюдателя.
Взаимодействие ультразвука с веществом. Применение ультразвука.
УЗ характеризуется следующими видами действия на вещество: - механическое действие. Оно связано с деформацией микроструктуры вещества вследствие периодического сближения и отдаления составляющих вещество микрочастиц. Например, в жидкости УЗ-волна вызывает разрывы её целостности с образованием полостей –кавитаций. Это энергетически невыгодное состояние жидкостей, поэтому полости быстро закрываются с выделением большого количества энергии. - тепловое действие. Связано с тем, что энергия, заключённая в УЗ-волне и выделяющаяся при закрытии кавитаций, частично рассеивается в тканях в виде тепла, что приводит к их нагреванию. - физико-химическое действие. Проявляется в ионизации и диссоциации молекул веществ, ускорении химических реакций (например, окисления и восстановления) и т. д. На комплексном действии механических, тепловых и физико-химических факторов основано биологическое действие УЗ. Это действие будет определяться интенсивностью УЗ-волны. УЗ малой и средней интенсивности (соответственно 1, 5 Вт на кв. см. и 3 Вт на кв. см) вызывают в живых организмах позитивные эффекты, стимулирует протекание нормальных физиологических процессов. Это основа использования УЗ в физиотерапии. УЗ улучшает проницаемость клеточных мембран, активизирует все виды транспорта через мембрану, влияет на скорость протекания биохимических реакций. Увеличение интенсивности УЗ-волны приводит к разрушающему его действию на клетки. Это используется для стерилизации медицинских помещений путём уничтожения ультразвуком вирусов и клеток бактерий и грибков. УЗ высокой интенсивности широко используется в хирургии. Некоторые операции проводятся с помощью ультразвукового скальпеля. Они безболезненны, сопровождаются малыми кровотечениями, раны быстрее заживают, в том числе вследствие стерилизации раны УЗ. Широкое использование имеет УЗ в ортопедии: для проведения некоторых операций на кости применяется УЗ-пилка, УЗ применяется для соединения костей между собой и скрепления с ними костных имплантантов. Литотрипсия – методика разрушения камней в почках и жёлчном пузыре с помощью направленного действия УЗ волн большой интенсивности.
|
|
|
1. Тема 5. 6: Процессы переноса в биологических системах. Биоэлектрогенез.
2. Курс: первый семестр: первый
3. Продолжительность лекции: 2 час
4. Контингент слушателей: студенты
5. Учебная цель: изучение процессов переноса в биологических мембранах
6. Иллюстративный материал и оснащение: интерактивная доска
7. Подробный план:
1) Биологические мембраны и их физические свойства. Виды пассивного транспорта.
2) Уравнения простой диффузии и электродиффузии. Уравнение Нернста-Планка.
3) Понятие о потенциале покоя биологической мембраны. Равновесный потенциал Нернста.
4) Проницаемость мембран для ионов. Модель стационарного мембранного потенциала Гольдмана-Ходжкина-Каца.
5) Понятие об активном транспорте ионов через биологические мембраны.
6) Механизмы формирования потенциала действия на мембранах нервных и мышечных клеток.
8. Методы контроля знаний и навыков: традиционные методы контроля.
9. Литература: см. в приложении.
Конспект лекции
Биологические мембраны. Модельные липидные мембраны. Бислойные липидные мембраны. Липосомы. Применение в фармации. Транспорт веществ. Биологическая мембрана - это структура, состоящая из органических молекул, которая имеет толщину около 7-10нми видима только посредством электронного микроскопа. В каждой клетке есть плазматическая мембрана, которая ограничивает содержимое клетки от наружней среды, и внутренние мембраны, которые формируют различные органоиды клетки (митохондрии, органоиды, лизосомы и т. п. ) Плазматическая мембрана выполняет несколько важных функций. 1) Образует избирательный барьер, который отделяет содержимое клетки от окружающей среды, что позволяет поддерживать постоянным химический состав цитоплазмы и её физические свойства. 2) Регулирует транспорт веществ между содержимым клетки и окружающим клетку раствором. 3) Принимает участие в информационных процессах в живой клетке. В состав плазматической мембраны входят липиды, белки и углеводы. Соотношение между липидами и белками может значительно варьировать в различных клетках. Липиды мембраны бывают трех видов: глицерофосфолипиды , сфингофосфолипиды и стероиды (холестерол) . Молекула глицерофосфолипида состоит из остатка трёхатомного спирта глицерола, атомы водорода двух гидроксильных групп которого замещены на две длинные цепи жирных кислот. Третий атом водорода гидроксильной группы глицерина замещён остатком фосфорной кислоты, к которому, в свою очередь, присоединён остаток одного из азотистых оснований (холин, этаноламин, серин, инозитол). В молекуле глицерофосфолипида можно выделить две части, которые называются головка (остаток глицерина, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание) и хвостики (остатки жирных кислот). Головка и хвостики сильно отличаются по своим физическим свойствам. Головка молекулы фосфолипида гидрофильна (″ любит воду″ ). Она хорошо растворима в воде. Хвостики - гидрофобны(″ боятся воды″ ). Они легко растворяются в липидах и органических растворителях, но водой отталкиваются. Таким образом, в целом молекула фосфолипида, содержащая как водорастворимые, так и липидорастворимые области, имеетамфифильные свойства.
|
|
|
Молекулы сфингофосфолипидов также состоят из головки и хвостиков. Они 
отличаются из фосфолипидов тем, что вместо остатка глицерина содержат остаток спирта сфингозина. Если сухие фосфолипиды погружают в воду, они спонтанно формируют в зависимости от их концентрации различные структуры (Рис. 1). Одна из них - сферическая структура, называемая мицеллой. Молекулы фосфолипидов упорядочены так, что гидрофильные головки направлены в водную среду, а гидрофобные хвосты - внутрь структуры. Рис. 1. Мицелла и бислойная пластина в водном растворе
При более высокой концентрации фосфолипидов, их молекулы формируют бислойные пластинчатые структуры. Немецкие ученые Gorter и Grendel доказали, что такая бислойная фосфолипидная структура является основой мембраны клетки. Физическое состояние фосфолипидного бислоя зависит от температуры. Если температура превышает критическую точку, бислой представляет собой жидкость. При этом каждая молекула имеют возможность перемещаться. Существует несколько видов движения молекул липидов: колебание, вращение, латеральная диффузия (перемещение молекул в пределах своего слоя), флип-флоп (перемещение молекул из одного слоя липидов в другой, происходит редко). Если температура падает ниже критической точки, мембранные фосфолипиды становятся твердыми. Мембрана теряет текучесть, и движение молекул в ней ограничивается. Согласно современной жидкостно-мозаичной модели мембраны (модель Сингера и Николсона), липидный бислой является основой мембраны. Молекулы фосфолипидов расположены в нём так, что их длинные оси параллельны и ориентированы перпендикулярно к поверхности мембраны. Мембрана сохраняется в жидком состоянии благодаря температуре клетки и химическому составу жирных кислот. Белки мембраны подразделены на два вида. Молекулы первого типа являются гидрофильными. Эти белки, называемые периферическими , соединены с поверхностью мембраны сравнительно слабыми электростатическими силами. Белки второго вида имеют как гидрофильные, так и гидрофобные группы. Их молекулы более или менее погружены в мембрану, и удерживаются в ней более прочными гидрофобнымисилами. Некоторые белки пронизывают мембрану от ёё внутренней до внешней поверхностей - интегральные белки (Рис. 2). Многочисленные белки мембраны выполняют различные функции (метаболическую, транспортную, рецепторную и т. п. ). Функции белков мембраны существенно зависят от строения их молекул.
|
|
|
Рис. 2. Жидкостно-мозаичная модель мембраны: фосфолипидный бислой; периферические и интегральные белки.
|
|
|
