Мембранные потенциалы покоя, ур. Нернста.
Мембранные потенциалы покоя. Уравнение Нернста (вывод) и Гольдмана-Ходжкина-Катца.
На мембране, разделяющей цитоплазму и межклеточную жидкость, существует разность электрических потенциалов – мембранный потенциал. Потенциал внутри клетки относительно межклеточной жидкости составляет от -60мВ до -100мВ. Предположим, что мембрана в покое проницаема только для одного вида ионов. Равновесное состояние клетки достигается при равенстве электрохим. потенциалов по обе стороны мембраны µi=µe. Внутри клетки потенциал µi= µ0i+RTlnCi+ZFφi, вне клетки µе= µ0е+RTlnCе+ZFφе.. Т.к. с обеих сторон ионы находятся в одном растворителе – воде, то µ0i= µ0е и условие термодинамического равновесия: RTlnCi+ZFφi= RTlnCе+ZFφе; ZF(φi-φе)=RT(lnCi-lnCe). Получаем уравнение Нернста для равновесного мембранного потенциала: φi-φе=(-RT/ZF)ln(Ci/Ce). Потенциал среды, окружающей клетку, принимают за φе=0, поэтому мембранный потенциал представляет собой потенциал внутри клетки по отношению к межклеточной жидкости. Концентрация К+ внутри клетки значительно выше, чем вне её, поэтому потенциал Нернста отрицательный. Для Na+ и Cl- концентрация вне клетки выше, чем внутри, поэтому равновесный потенциал Нернста для натрия – положительный, а для хлора - отрицательный. В состоянии покоя суммарный поток ионов через мембрану равен нулю, тогда из уравнения Нернста-Планка следует: (RT/C)*(dC/dx)=(-ZF)*(dφ/dx). В покое градиенты концентрации dC/dx и электрического потенциала dφ/dx на мембране направлены противоположно друг другу.
Полное выражение для мембранного потенциала было получено Гольдманом, Ходжкиным, Катцем:
φм=(-RT/F)ln(PKCi(K+)+ PNaCi(Na+)+ PClCe(Cl-))/( PKCe(K+)+ PNaCe(Na+)+ PClCi(Cl-)).
Проницаемость мембран аксона кальмара:
В покое РК+:РNa+:РCl- =1:0,04:0,45
В фазе деполяризации РК+:РNa+:РCl- =1:20:0,45
Укажите достоинства и недостатки современных ультразвуковых и рентгеновских компьютерных методов получения изображений органов и тканей.
Ультразвуковая диагностика. Эхолокация (А-метод) – одномерный метод исследования, т.к. он позволяет определять расстояние от отражающих ультразвук объектов лишь в одном направлении. Эхолокацией определяются продольные размеры глазного яблока, измеряется разница расстояний от поверхности головы до её внутричерепных структур, выявляются объемные поражения мозга.
Ультразвуковая томография позволяет получать изображения различных сечений исследуемого органа.
Ультразвуковая диагностика широко распространена в клинике благодаря высокой разрешающей способности при визуализации исследуемого объекта, возможность проведения многократных исследований, безопасность, отсутствие противопоказаний, не инвазивные, информативные. Недостаток – нельзя исследовать органы, наполненные воздухом.
Рентгенодиагностика создаёт лучевую нагрузку на организм, особенно при рентгеноскопии, когда изображение долго рассматривают на люминесцирующем экране. При рентгенографии время экспозиции для получения снимка составляет доли секунды, поэтому лучевая нагрузка меньше. Достоинства: информативные, не инвазивные, бесконтактные.
При измерении температуры ткани термопарой с чувствительностью 0,4 мкВ/К было получено значение термо-ЭДС=10мкВ. Найдите температуру ткани, если второй спай находится при 00С.
ЭДС=α(Т2-Т1); Т2=ЭДС/α+ Т1=25K+273К=298К или 250С
Сформулируйте и запишите законы Стефана-Больцмана и Вина для теплового излучения.
Все тела излучают электромагнитные волны, интенсивность и спектральный состав которых существенно зависят от температуры тела – тепловое излучение. Чем выше температура тела, тем интенсивнее это излучение.
Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна 4-й степени его абсолютной температуры. R=δT4. Постоянная Больцмана δ=5,67*10-8 Вт/(м2К4)
R=аδT4 – для серых тел.
Закон Вина определяет зависимость положения max спектра излучения абсолютно черного тела от температуры: длина волны на которую приходится max спектральной плотности обратно пропорциональна абсолютной температуре этого тела: Lmax=b/T, где b =2,898*10-3 м*К – постоянная Вина.
Как связаны активность радионуклида в органе и эквивалентная доза внутреннего облучения при однократном поступлении радионуклида в организм?
Эквивалентная доза ионизирующего излучения представляет собой произведение поглощенной дозы и коэф. качества излучения: Н=kD. [Зв=Дж/кг], 1бэр=0,01Зв. Для определения k (относительная биологическая эффективность ОБЭ) необходимо сравнить поглощённые дозы, вызывающие одинаковый биологический эффект, при воздействии исследуемым Dиссл и эталонным Dэтал ионизирующими излучениями. За эталон принимают рентгеновское излучение с энергией квантов 180-200кэВ. k=ОБЭ=Dэтал/Dиссл. В качестве стандартного биологического эффекта используют полулетальную дозу ЛД 50/30 – поглощенная доза, при которой в течение 30 суток погибает 50% подопытных животных. Для рентгеновского, y-и β-излучения k=1; для α-частиц с энергией <10MэВ k=20; для протонов k=10; для нейтронов с энергией 0,1-5 МэВ k=3-10.
Н=kD, где D=E1Np/m, где E1 – энергия, выделяемая при одном распаде, Np -число распадов.
Эффективная энергия одного распада: Еэф=kE1. Эквивалентная доза, полученная органом массы m: H=ЕэфNp/m.
При однократном введении радионуклида его активность в организме изменяется по закону A(t)=A0e-Lэфt, где А0=LpN0 – начальная активность поступившего в организм радионуклида, N0- начальное кол-во ядер радионуклида; Lp- постоянная радиационного распада; Lэф – эффективная постоянная, определяющая скорость исчезновения радионуклида из организма.
Для бедренной артерии скорость пульсовой волны 9м/с, её диаметр 0,4 см, толщина стенки 0,04 см. Зная, что плотность крови 1г/см3(1000кг/м3), определите модуль Юнга для этого сосуда.
Формула Моенса-Кортевега v=√(Eh/pd); Е=v2pd/h=81*1000*0,4/0,04=810 кПа (ккг/c2м). Ответ: 810кПа
На мембране, разделяющей цитоплазму и межклеточную жидкость, существует разность электрических потенциалов – мембранный потенциал. Потенциал внутри клетки относительно межклеточной жидкости составляет от -60мВ до -100мВ. Предположим, что мембрана в покое проницаема только для одного вида ионов. Равновесное состояние клетки достигается при равенстве электрохим. потенциалов по обе стороны мембраны µi=µe. Внутри клетки потенциал µi= µ0i+RTlnCi+ZFφi, вне клетки µе= µ0е+RTlnCе+ZFφе.. Т.к. с обеих сторон ионы находятся в одном растворителе – воде, то µ0i= µ0е и условие термодинамического равновесия: RTlnCi+ZFφi= RTlnCе+ZFφе; ZF(φi-φе)=RT(lnCi-lnCe). Получаем уравнение Нернста для равновесного мембранного потенциала: φi-φе=(-RT/ZF)ln(Ci/Ce). Потенциал среды, окружающей клетку, принимают за φе=0, поэтому мембранный потенциал представляет собой потенциал внутри клетки по отношению к межклеточной жидкости. Концентрация К+ внутри клетки значительно выше, чем вне её, поэтому потенциал Нернста отрицательный. Для Na+ и Cl- концентрация вне клетки выше, чем внутри, поэтому равновесный потенциал Нернста для натрия – положительный, а для хлора - отрицательный. В состоянии покоя суммарный поток ионов через мембрану равен нулю, тогда из уравнения Нернста-Планка следует: (RT/C)*(dC/dx)=(-ZF)*(dφ/dx). В покое градиенты концентрации dC/dx и электрического потенциала dφ/dx на мембране направлены противоположно друг другу.
Полное выражение для мембранного потенциала было получено Гольдманом, Ходжкиным, Катцем:
φм=(-RT/F)ln(PKCi(K+)+ PNaCi(Na+)+ PClCe(Cl-))/( PKCe(K+)+ PNaCe(Na+)+ PClCi(Cl-)).
Проницаемость мембран аксона кальмара:
В покое РК+:РNa+:РCl- =1:0,04:0,45
В фазе деполяризации РК+:РNa+:РCl- =1:20:0,45
Укажите достоинства и недостатки современных ультразвуковых и рентгеновских компьютерных методов получения изображений органов и тканей.
Ультразвуковая диагностика. Эхолокация (А-метод) – одномерный метод исследования, т.к. он позволяет определять расстояние от отражающих ультразвук объектов лишь в одном направлении. Эхолокацией определяются продольные размеры глазного яблока, измеряется разница расстояний от поверхности головы до её внутричерепных структур, выявляются объемные поражения мозга.
Ультразвуковая томография позволяет получать изображения различных сечений исследуемого органа.
Ультразвуковая диагностика широко распространена в клинике благодаря высокой разрешающей способности при визуализации исследуемого объекта, возможность проведения многократных исследований, безопасность, отсутствие противопоказаний, не инвазивные, информативные. Недостаток – нельзя исследовать органы, наполненные воздухом.
Рентгенодиагностика создаёт лучевую нагрузку на организм, особенно при рентгеноскопии, когда изображение долго рассматривают на люминесцирующем экране. При рентгенографии время экспозиции для получения снимка составляет доли секунды, поэтому лучевая нагрузка меньше. Достоинства: информативные, не инвазивные, бесконтактные.
При измерении температуры ткани термопарой с чувствительностью 0,4 мкВ/К было получено значение термо-ЭДС=10мкВ. Найдите температуру ткани, если второй спай находится при 00С.
ЭДС=α(Т2-Т1); Т2=ЭДС/α+ Т1=25K+273К=298К или 250С
Сформулируйте и запишите законы Стефана-Больцмана и Вина для теплового излучения.
Все тела излучают электромагнитные волны, интенсивность и спектральный состав которых существенно зависят от температуры тела – тепловое излучение. Чем выше температура тела, тем интенсивнее это излучение.
Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна 4-й степени его абсолютной температуры. R=δT4. Постоянная Больцмана δ=5,67*10-8 Вт/(м2К4)
R=аδT4 – для серых тел.
Закон Вина определяет зависимость положения max спектра излучения абсолютно черного тела от температуры: длина волны на которую приходится max спектральной плотности обратно пропорциональна абсолютной температуре этого тела: Lmax=b/T, где b =2,898*10-3 м*К – постоянная Вина.
Как связаны активность радионуклида в органе и эквивалентная доза внутреннего облучения при однократном поступлении радионуклида в организм?
Эквивалентная доза ионизирующего излучения представляет собой произведение поглощенной дозы и коэф. качества излучения: Н=kD. [Зв=Дж/кг], 1бэр=0,01Зв. Для определения k (относительная биологическая эффективность ОБЭ) необходимо сравнить поглощённые дозы, вызывающие одинаковый биологический эффект, при воздействии исследуемым Dиссл и эталонным Dэтал ионизирующими излучениями. За эталон принимают рентгеновское излучение с энергией квантов 180-200кэВ. k=ОБЭ=Dэтал/Dиссл. В качестве стандартного биологического эффекта используют полулетальную дозу ЛД 50/30 – поглощенная доза, при которой в течение 30 суток погибает 50% подопытных животных. Для рентгеновского, y-и β-излучения k=1; для α-частиц с энергией <10MэВ k=20; для протонов k=10; для нейтронов с энергией 0,1-5 МэВ k=3-10.
Н=kD, где D=E1Np/m, где E1 – энергия, выделяемая при одном распаде, Np -число распадов.
Эффективная энергия одного распада: Еэф=kE1. Эквивалентная доза, полученная органом массы m: H=ЕэфNp/m.
При однократном введении радионуклида его активность в организме изменяется по закону A(t)=A0e-Lэфt, где А0=LpN0 – начальная активность поступившего в организм радионуклида, N0- начальное кол-во ядер радионуклида; Lp- постоянная радиационного распада; Lэф – эффективная постоянная, определяющая скорость исчезновения радионуклида из организма.
Для бедренной артерии скорость пульсовой волны 9м/с, её диаметр 0,4 см, толщина стенки 0,04 см. Зная, что плотность крови 1г/см3(1000кг/м3), определите модуль Юнга для этого сосуда.
Формула Моенса-Кортевега v=√(Eh/pd); Е=v2pd/h=81*1000*0,4/0,04=810 кПа (ккг/c2м). Ответ: 810кПа