Пассивные электрические свойства биологических тканей. Спектр флюоресценции

Задача 1

Рассчитать смещение максимума спектра флюоресценции (200 нм), если известно, что потеря энергии кванта флюоресценции от поглощения составляет 50%.

Решение:

Флюоресценция - это явление, при котором лучистая энергия невидимой коротковолновой части спектра (ультрафиолет) абсорбируется объектом, часть этой энергии теряется, а остальная испускается уже в видимом диапазоне и ощущается нами, как цвет.

Поскольку энергия кванта излучения пропорциональна его частоте, то частота при этом уменьшается, а длина волны возрастает.

E = hс/,

где Е – энергия кванта, h – постоянная Планка,  – длина волны, с – скорость света.

Е / Е₁ = 2, следовательно, Е₁ = Е/2

 = E / hс

₁ = E₁ / hс

₁ /  = E₁ / Е = Е/2/Е = 2

₁ = 200*2 = 400 нм

Задача 2

Происходит параллельное образование веществ В и С из вещества А сконстатами Кв и Кс соответственно (Кв=5Кс). Определить какого вещества(В и С) и во сколько раз образуется больше.

Решение:

А → В, Кв

А→ С, Кс

Кв=5Кс

Кв = [B]/ [А]

Кс = [С]/ [А]

5Кс = [B]/ [А]

[А] = 5Кс/[B]

[А] = Кс / [С]

5Кс/[В] = Кс / [С]

5 /[B] = 1/[С]

[B] / [C] = 5

Таким образом, вещества В образуется в 5 раз больше.

Задача 3

Активный транспорт поддерживает внеклеточный градиент для ионов Nа+ как 100:1. Сколько требуется для этого энергии на 1 моль иона, если внеклеточная концентрация Nа+ 10 ммоль?

Решение:

Активный транспорт имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТР. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ - K+ - насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К+ выше, чем Na+.

Вторично активный транспорт не зависит от концентрации Na+ вне клетки, а зависит от концентрации градиента ионов Na+. Градиент Na+ является движущей силой, промежуточной стадией в процессе использования энергии (в системе вторично активного транспорта).

Свободную энергию F можно найти по формуле:

F = RTlnС1/С2

С1=100 ммоль

С2 = 10 ммоль

Принимая температуру в клетке равной 37 С, получаем:

F = RTlnС1/С2 = 8,314 * 37 * ln 10 = 708,31 Дж

Задача 4

Каким был импеданс ткани при частоте поляризации равным 5, импеданс при частоте 10 кГц был равен 5 кОм.

Решение:

Пассивные электрические свойства биологических тканей характеризуются импедансом (полным сопротивлением), величина которого определяется емкостной и активной проводимостью с соответствующей индуктивностью тканей.

В области низких частот импеданс тканей определяется, в основном, их резистивными свойствами. К этой области относятся ткани, обладающие высокой электропроводностью (нервная ткань). В область средних частот входят ткани, электрические свойства которых определяются и резистивными и емкостными свойствами (паренхиматозные органы). В области высоких частот электрические свойства тканей носят емкостный характер (мембраны, липиды). Замедленные механизмы поляризации в этой области частот могут приводить к значительным диэлектрическим потерям в тканях (нагревание).

Таким образом, живую клетку можно представить в виде колебательного контура с емкостью и сопротивлением, причем емкость (мембрана) определяется свободнорадикальными реакциями и системой антиоксидантной защиты, а сопротивление - ферментативным окислением.

Между сопротивлением и частотой поляризации существует обратнопропорциональная зависимость.

Таким образом, с увеличением частоты поляризации сопротивление уменьшается, тогда при частоте поляризации равной 5, импеданс будет равен 2,5 кОм.

Задача 5

Произошло снижение периферического сопротивления сосудов на 20%. Какова в этом роль вязкости крови, если "общая" длина сосудистого русла снизилась в 1,2 раза, а "общий" радиус увеличился в 1,5 раз?

Решение:

Закон Пуазейля является основным законом гемодинамики хотя в строгом смысле он применим только для непульсирующего ламинарного потока при однородной и постоянной вязкости жидкости (Mc Donald, 1960). Ценность этого закона заключается в том, что он дает количественную характеристику основных факторов обеспечивающих движение крови по сосудам и их взаимосвязь.

В приложении к гемодинамике закон Пуазейля чаще всего записывают в следующем виде:

Q=(P1-P2)/R

Q - объем крови, протекающей за единицу времени через поперечное сечение сосуда.

P1 - P2 - градиент давления в начале и конце системы.

R - сопротивление кровотоку.

В свою очередь сопротивление кровотоку описывается следующей формулой:

R=81υ/ π r⁴, где

l - длина сосуда

r - радиус сосуда

υ - вязкость крови

R=81 υ / π r⁴

υ = R π r⁴ / 81

υ ₁ = R₁ πr₁⁴ / 81₁

l /l₁ = 1,2, следовательно, l₁ = l / 1,2

r ₁ / r = 1,5, следовательно, r ₁ = 1,5 / r

R / R₁ =1,2, следовательно, R₁ = R / 1,2

Тогда

υ ₁ = R₁ π r₁⁴ / 81₁ = (R / 1,2) π (1,5 / r)⁴ / 8 (l / 1,2)

υ ₁ / υ = (R / 1,2) π (1,5 / r)⁴ / 8 (l / 1,2) / R π r⁴ / 81

υ ₁ / υ = 5,0625

То есть при снижении периферического сопротивления сосудов на 20% вязкость крови вязкость крови увеличилась в 5,0625 раз.

Список литературы

1. Физиология человека / Под. ред. Р. Шмидта, Г. Тевса, Т. 3. Кровь. Кровообращение. Дыхание. М.: Мир, 1986.

2. Основы физиологии человека / Под. ред. Б.И. Ткаченко. Санкт-Петербург: Международный фонд истории науки, 1994. Т. 1.

3. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. М.: Мир, 1981.

4. Беркемблит М.Б., Глаголева Е.Г. Электричество в живых организмах. – Москва: Наука, 1988 .

5. Бионика. – Москва: Наука, 1965.

6. Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. – Москва: Наука, 1986.

7. Енохович А.С. Справочник по физике. – Москва: Просвещение, 1990.

8. Иваницкий Г.Р. Мир глазами биофизика. – М.: Педагогика, 1985.

9. Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии и биологии. – Москва: Просвещение, 1986.

10. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – Москва, Просвещение, 1988.