Первый и второй закон фика облегченная диффузия. Пассивный транспорт веществ через мембрану. Уравнение Теорелла. Уравнение Фика. Физические свойства мембран

Свободная диффузия. Уравнение Фика.

Диффузия- процесс переноса веществ из области с большой концетрацией в область с меньшей концетрацией за счет теплового движения молекул.

Диффузия незаряженных частиц уменьшается в сторону этого градиента до тех пор, пока не достигнет состояния равновесия, пассивный транспорт, поскольку не требует затрат внешней энергии. Характеристика диффузии – поток вещества(φ)массо перенасимое через поверхность S перпендикулярно потоку вещества за единицу времени φ=φ/t

Отношения потока вещества к площади плотности потока j=φ/s

Уравнение диффузии Фика

j=-Ddc/dx=-DSgradC

«=» - показывает направление потока в сторону уменьшения концетрации(т.е. против gradC) D-коэффициент диффузии D=RT/(6πηrN_A)

Для биомембран существенное значение имеет коэффициент распределения вещества между липидными слоями и водой. Поэтому j=D_k/l(C_2-C_1)

Посредством простой диффузии через фосфолипидный бислой проникают низкомолекулярные гидрофобные органические вещества(жирные кислоты)

Билет№18

Особенности пассивного транспорта ионов. Проницаемость мембраны. Роль переносчиков и каналов в пассивном транспорте гидрофильных веществ через биологические мембраны. Строение и основные свойства мембранных каналов. Облегченная диффузия.

Электродиффузия-диффузия электрически заряженных частиц (ионов) под влиянием концептрационного и электрического градиентов. Липидный бислой непроницаем для ионов, они могут проникнуть только посредством специальных структур –ионных каналов,которые образованы интегральными белками.Движущей силой диффузии яв-ся не только разность конц. Ионов внутри и вне клетки,но так же разность ЭХ(электро-химического) потенциалов,создаваемых этими ионами по обе стороны мембраны=>диффузный поток ионов определ-ся градиентом ЭХ потенциала. ЭХ потенциал опрелеляет свободную энергию иона и учитывает все силы, способные побудить ион в движению Для растворенного вещества:μ = μ0 + R*T*lnC + z*F*φ

где μ0 - Стандартный химический потенциал, зависящий от природы растворителя.

С - концентрация вещества R - газовая постоянная T - температура z - валентность иона F - число Фарадея φ - электрический потенциал

Зав-ть плотность потока ионов от ЭХ потенц. Определяется ур-ем Теорелла U-подвижность ионов,dµ/dx-ЭХ градиент.Подставляя выражение для ЭХ потенциала в ур-е Теорелла,можно получить урНерист-Планка с учетом 2х grad С, которые обуславливают диффузию ионов. ϳ=D dc/dx-uƶFCdȹ/dx

Ионный канал – это интегральный белок или белковый комплекс, встроенный в клеточную мембрану. При прохождении канала, ион испытывает на себе действие электрических полей, создаваемых зарядами, находящимися на внутренней стороне канала.

Ионные каналы мембраны представляют собой интегральные белки мембраны,которые обр-ют отверстие в мембране,заполненных водой. В плазмолемме обнаружен ряд ионных каналов, которые х-ются высокой спецефичностью,допускающих перемещение протока одного вида ионов.Существуют Na,Cl каналы,каждый из них имеет селективный фильтры,который способен пропускать только определенные ионы.Проницаемость ионных каналов может измениться благодаря наличию-ворот определенных групп атомов в составе белков,форм канал. Конформационные изм-ния ворот при изменении ЭХпотенциала или действием спецефических химических в-ввыполняющих сигнальную функцию.

Облегченная диффузия гидроф молекул.Крупные гидрофильные молекулы (сахара, аминокислоты)перемещаются через мембр. с помощью переносчиков.Этот тип транспорта яв-ся диффузией,поскольку транспорт в-ва перемещается по gradС без доп энергии.Другой особенностью облегченной диффузии яв-ся Феномен насыщения. Поток вещ-ва,транспортируемого путем для диффузии, растет в зависимости от gradC в-ва только до определенной величины.Затем возрастание потока прекращается, поскольку транспортная система полностью занята.Кинетику обл.диффузии отображает управление Михаэлиса Ментена. ϳ=ϳ_max C_e/(C_e+K_m) КМ-константа Михаэлиса равна конц-ции в-ва вне плотности потока равна половине максимальной.

К особенностям облегченной диффузии можно отнести следующее:

1) перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так, из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза и т.д.;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

Процессов в твердых телах.

Определение диффузии. Первое и второе уравнения Фика.

Определим диффузию как процесс переноса вещества из одной части системы в другую, происходящий под действием градиента концентрации. Отметим, однако, что градиент концентрации – важная, но не единственная причина, вызывающая перенос вещества в системе.

При свободной диффузии не взаимодействующих между собой частиц (в отсутствии приложенных внешних сил) в однородном и изотропном твердом теле поток диффузионных частиц https://pandia.ru/text/80/099/images/image002_18.gif" width="53" height="25 src="> (для одномерного случая). Связь между ними определяется первым законом Фика:

где - коэффициент диффузии атомов. Из выражения (10.1) можем определить коэффициент диффузии как скорость, с которой система способна при заданных условиях сделать нулевой разность концентраций. Знак “минус” в выражении означает, что поток атомов направлен из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Для трехмерной задачи первое уравнение Фика имеет вид:

где - оператор Набла, который записывается .

В случае независимости коэффициента диффузии от концентрации легирующих частиц, применение закона сохранения вещества при диффузии в форме уравнения непрерывности для потока частиц позволяет перейти ко второму уравнению Фика, устанавливающему связь между концентрацией диффундирующих частиц в различных точках тела и временем диффузии:

Для трехмерного случая:

https://pandia.ru/text/80/099/images/image010_8.gif" width="88" height="48">, (10.4)

где - оператор Лапласа, который записывается .

Второй закон Фика, как закон сохранения вещества, можно записать в форме уравнения непрерывности:

. (10.5)

Размерность плотности потока вещества зависит от размерности концентрации..gif" width="219" height="48">.

Одним из основных параметров диффузии является коэффициент диффузии, вводимый как коэффициент пропорциональности между потоком и градиентом концентрации вещества в уравнении (10.1). В зависимости от условий проведения диффузионного опыта, различают несколько типов коэффициента диффузии.

1. Для описания взаимной диффузии при контакте двух образцов неограниченно растворимых один в одном, пользуются понятием коэффициента взаимной диффузии https://pandia.ru/text/80/099/images/image017_4.gif" width="21 height=25" height="25">, равным коэффициенту взаимной диффузии, если собственные коэффициенты диффузии компонентов равны между собой, т. е..gif" width="17" height="19 src="> и ).

3. Кроме того, подвижность - того компонента сплава может быть охарактеризована порциальными коэффициентами диффузии , которые вводятся следующим образом:

. (10.6)

Порциальные коэффициенты можно определить как для собственной, так и для взаимной диффузии. Все введенные до сих пор коэффициенты являются коэффициентами гитеродиффузии (химической диффузии), т. е. такой диффузии, которая имеет место при наличии только градиента концентрации.

Диффузия в реальных кристаллах происходит вследствие четырех основных механизмов:

1. Для идеальных кристаллов процесс диффузии предполагает простой обмен местами между соседними атомами вещества. В этом случае необходимо затратить значительную энергию (порядка энергии связи между соседними атомами решетки).

2. Для примесей внедрения характерно перемещение атомов по междоузлиям из-за наличия в системе некоторой концентрации дефектов.

3. При вакансионном механизме диффузии один из соседних атомов занимает близлежащую вакансию. Вакансии могут образовываться вследствие того, что некоторые атомы, совершающие тепловые колебания около положения равновесия, могут иметь энергию, значительно превышающую среднюю энергию связи. Такие атомы уходят из узлов решетки в междуузельное пространство, образуя вакансию. Такая вакансия перемещается в кристалле путем последовательного заполнения ее другими атомами.

4. Возможна также диффузия по междоузлиям путем вытеснения, когда атом выталкивает одного из ближайших соседей в междоузлие, а сам занимает его место в решетке.

Таким образом, мы видим, что в твердых телах благодаря тепловому движению происходит непрерывное перемешивание частиц..gif" width="120" height="52">, (10.7)

где - энергия активации диффузии; - постоянная, равная по порядку величины периоду собственных колебаний атомов в узлах решетки https://pandia.ru/text/80/099/images/image029_2.gif" width="109" height="25 src=">, где - энергия активации при https://pandia.ru/text/80/099/images/image032_1.gif" width="15" height="20"> зависит от характера колебаний атомов.

В большинстве случаев коэффициент диффузии в твердых телах увеличивается с ростом температуры по закону, имеющему вид уравнения Аррениуса:

, (10.8)

где - предэкспоненциальный множитель (фактор), численно равный коэффициенту диффузии при бесконечно большой температуре.

Процессы взаимной диффузии в поликристаллических пленках металлов приводят к образованию интерметаллидов. При этом можно выделить следующие изменения их свойств:

1. Образуются металлические слои, структура которых имеет большое количество дефектов, через которые возможна диффузия примесей и газов.

2. Электронные характеристики пленок металлов из-за образования твердых растворов металлов и соединений изменяются.

3. Меняется толщина и состав переходного слоя.

4. Возможно развитие неоднородностей в слоях металлов и в переходном слое из-за неравномерности взаимной диффузии металлов через границу раздела.

Отмеченные выше процессы приводят к деградации электрических параметров и зависят от количества продиффундированного в структуру вещества. Поэтому особенно важно уметь находить зависимости распределения концентрации диффундирующих примесей в структурах от времени и температуры процесса диффузии. Это можно сделать, решив второе уравнение Фика или уравнение диффузии.

Уравнение диффузии представляет собой дифференциальное уравнение в частных производных и для его решения необходимо сформулировать начальные и граничные условия, которым должна удовлетворять концентрация и первоначальное распределение диффундирующего вещества. Эти условия определяют на основе анализа конкретной ситуации, в которой происходит процесс диффузии. Здесь важно отметить, что внутри твердого тела концентрация является непрерывной функцией координат и времени, а ее первая производная по времени и первая и вторая производные по координатам , и https://pandia.ru/text/80/099/images/image039.gif" width="132" height="31"> может быть произвольным, но чаще всего эта функция постоянна либо равна нулю. Что касается граничных условий (условий на поверхности), то обычно в задачах диффузии задана либо концентрация на поверхности , либо поток https://pandia.ru/text/80/099/images/image042.gif" width="45" height="20"> переходы, глубина которых контролируется с точностью до долей микрометра.

Контрольные вопросы

1. Что такое диффузия?

2. Как записывается первое уравнение Фика?

3. Как записывается второе уравнение Фика?

4. Что такое коэффициент диффузии?

5. Какие различают типы коэффициентов диффузии?

6. Как записывается зависимость изменения коэффициента диффузии от температуры в твердом теле?

7. Как процессы взаимной диффузии и образование при этом интерметаллидов изменяют свойства пленок металлов?

8. Как можно задавать начальное распределение концентрации и граничные условия (условия на поверхности) при решении уравнения диффузии?

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы .

Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит с огромной скоростью. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом , то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет. Другой пример: на золотой слиток был положен слиток свинца, и под грузом за пять лет свинцовый слиток проник в золотой слиток на сантиметр.

∂ C ∂ t = ∂ ∂ x D ∂ C ∂ x . {\displaystyle {\frac {\partial C}{\partial t}}={\partial \over \partial x}D{\frac {\partial C}{\partial x}}.}

Коэффициент диффузии D {\displaystyle D} зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой соотношение Эйнштейна .

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние . В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера - Планка . Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

питание, дыхание животных и растений;
проникновение кислорода из крови в ткани человека.

Геометрическое описание уравнения Фика

Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения - вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температуры, проецируемую на ось x {\displaystyle x} .

Уравнения Онзагера для многокомпонентной диффузии и термодиффузии

Законы Фика применимы для случая малых значений концентраций n {\displaystyle n} и градиентов концентрации − ∇ n {\displaystyle -\nabla n} .

Транспортное уравнение в таком случае может быть записано в следующем виде:

∂ n i ∂ t = − d i v J i = − ∑ j ≥ 0 L i j d i v X j = ∑ k ≥ 0 [ − ∑ j ≥ 0 L i j ∂ 2 s (n) ∂ n j ∂ n k | n = n ∗ ] Δ n k . {\displaystyle {\frac {\partial n_{i}}{\partial t}}=-{\rm {div}}\mathbf {J} _{i}=-\sum _{j\geq 0}L_{ij}{\rm {div}}X_{j}=\sum _{k\geq 0}\left[-\sum _{j\geq 0}L_{ij}\left.{\frac {\partial ^{2}s(n)}{\partial n_{j}\partial n_{k}}}\right|_{n=n^{*}}\right]\Delta n_{k}\ .}

Здесь индексы i , j , k = 0 , 1 , 2... {\displaystyle i,~j,~k=0,1,2...} относятся к внутренней энергии (0) и разным компонентам. Выражение в квадратных скобках является матрицей D i k {\displaystyle D_{ik}} диффузионных( i , k > 0 {\displaystyle i,~k>0} ), термодиффузионных ( i > 0 {\displaystyle i>0} , k = 0 ∨ k > 0 , i = 0 {\displaystyle k=0\lor k>0,~i=0} ) и температуропроводных ( i = k = 0 {\displaystyle i=k=0} ) коэффициентов.

В изотермическом случае ( T = c o n s t {\displaystyle T=const} ) и термодинамический потенциал выражается через свободную энергию (или свободную энтропию (англ.) русск. ). Термодинамическая движущая сила для изотермичной диффузии определяется отрицательным градиентом химического потенциала − (1 / T) ∇ μ j {\displaystyle -(1/T)\nabla \mu _{j}} , и матрица диффузионных коэффициентов выглядит следующим образом:

D i k = 1 T ∑ j ≥ 1 L i j ∂ μ j (n , T) ∂ n k | n = n ∗ {\displaystyle D_{ik}={\frac {1}{T}}\sum _{j\geq 1}L_{ij}\left.{\frac {\partial \mu _{j}(n,T)}{\partial n_{k}}}\right|_{n=n^{*}}}

( i , k > 0 {\displaystyle i,~k>0} ).

Существует произвол в выборе определения для термодинамических сил и кинетических коэффициентов, поскольку мы не можем измерить их отдельно, а только их комбинацию ∑ j L i j X j {\displaystyle \sum _{j}L_{ij}X_{j}} . Например, в оригинальной работе Онзагер использовал дополнительный множитель ( T {\displaystyle T} ), тогда как в курсе теоретической физики Ландау и Лифшица этот множитель отсутствует и сила имеет противоположный знак. Это различие можно учесть в формулах для вывода коэффициентов так, что они не повлияют на результаты измерения.

Недиагональная диффузия должна быть нелинейной

Формализм линейной необратимой термодинамики (Онзагера) генерирует систему линейных уравнений диффузии в виде

∂ n i ∂ t = ∑ j D i j Δ c j . {\displaystyle {\frac {\partial n_{i}}{\partial t}}=\sum _{j}D_{ij}\Delta c_{j}\,.}

Если матрица коэффициентов диффузии диагональна, то эта система уравнений является лишь системой независимых уравнений Фика для различных компонент. Предположим, что диффузия не является диагональной, например, D 12 ≠ 0 {\displaystyle D_{12}\neq 0} , и рассмотрим состояние, в котором c 2 = … = c n = 0 {\displaystyle c_{2}=\ldots =c_{n}=0} . В этом состоянии ∂ n 2 / ∂ t = D 12 Δ n 1 {\displaystyle \partial n_{2}/\partial t=D_{12}\Delta n_{1}} . Если в некоторой точке D 12 Δ n 1 (x) < 0 {\displaystyle D_{12}\Delta n_{1}(x)<0} то n 2 (x) {\displaystyle n_{2}(x)} в течение короткого времени становится отрицательным в этой точке. Поэтому линейная недиагональная диффузии не сохраняет положительность концентраций. Недиагональные уравнения многокомпонентной диффузии должны быть нелинейными

Для описания пассивного транспорта – диффузии ионов в биофизике используется электродиффузионная теория, в соответствии с которой суммарный поток ионов через мембрану при пассивном транспорте определяется 2-мя факторами: неравномерностью их распределения (градиентом концентрации) и воздействием электрического поля (электрическим градиентом). Плотность потока ионов для разбавленных растворов определяется по уравнению Нернста-Планка:

где: Ф - поток вещества, u - подвижность иона, молекулы, R - универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/моль*К), Т - температура по шкале К 0 , dC/dx - концентрационный градиент, С - концентрация в молях, Z - величина заряда иона, F - число Фарадея (96500 Кл/моль), dφ /dx - градиент потенциала.

Знаки минус перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от мест с большей концентрацией в места с меньшей; а градиент потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим потенциалом к местам с меньшим.

Для описания диффузии незаряженных частиц используют уравнение Фика:

В этом виде уравнение Фика определяет поток незаряженных частиц через единичную площадь в случае, если не существует перегородки (мембраны), которая может затруднять перенос, где:

D D - коэффициент диффузии,- градиент концентрации

Для клеточной мембраны: dx = L - толщина мембраны, dC = С i - С e , где С i и С e -концентрация частиц внутри и снаружи клетки. В уравнение Фика для клетки добавляется коэффициент К (коэффициент распределения), который определяет соотношение концентрации частиц между средой и мембраной и в конечном итоге скорость переноса. Учитывая это, уравнение Фика для клеточной мембраны представляется в виде:

DK / L = Р - называют эффективным коэффициентом проницаемости, тогда Ф = - Р (С e - Сi)

6. Механизм активного транспорта ионов К+ и Na + через мембрану. Основные этапы работы K , Na - АТФ-азы. Энергозатраты противоградиентного переноса (формула).

Ионы Na и К определяют водно-электролитный обмен организма. В норме в живых клетках животных существует асимметрия концентраций этих ионов внутри (i) и снаружи (e) клетки. Концентрация К больше внутри клетки, концентрация Na больше снаружи. Клеточная мембрана одинаково проницаема для обоих ионов. Поэтому для поддержания асимметрии осуществляется противоградиентный перенос при помощи Na, К - АТФ-азы или Na-К насоса, за счёт энергии, освобождающейся при гидролизе АТФ.

АТФ +Н2О = АДФ + Ф н + ∆G, где Ф н – неорганический фосфат.

Основные этапы работы АТФ-азы:

1) Присоединение 3 ионов Na и фосфорилирование фермента внутри клетки.

2) Транслокация №1 –перенос центра связывания ионов Na наружу.

3) Отсоединение 3 ионов Na и замена их на 2 иона К.

4) Отщепление остатков фосфорной кислоты.

5) Транслокация №2 – перенос центра связывания ионов К внутрь клетки.

6) Отсоединение 2 ионов К и присоединение 3 ионов Na, затем фосфорилирование фермента.

Перенос 2 ионов К внутрь клетки и выброс 3 ионов Na наружу приводит в итоге к переносу одного дополнительного положительного заряда из цитоплазмы на поверхность мембраны. Поэтому внутриклеточное содержимое имеет знак (-), а внеклеточное (+). В целом, энергия, которая освобождается при гидролизе АТФ для осуществления активного транспорта Na + и К + , определяется формулой:

где первое слагаемое определяет энергию для противоградиентного переноса двух ионов К второе – энергию для противоградиентного переноса трёх ионов Na, третье – энергию на преодоление сил электрического поля, возникающего на мембране за счёт активного транспорта.

4.Первообразная функции. Неопределенный интеграл, его свойства. Таблица основных неопределенных интегралов.

7.Случайные события. Классическое и статистическое определения вероятности случайного события. Виды случайных событий

8.Основные теоремы теории вероятностей.Повторные независимые испытания. Формула Бернулли.Формула Пуассона.

9.Дискретные случайные величины.Закон распределения дискретной случайной величины.Основные числовые характеристики дискретнойслучайной величины и ее свойства.

10.Непрерывные случайные величины.Функция распределениянепрерывной случайной величины и ее свойства.

11.Плотность распределения вероятностей непрерывной случайной величины и ее свойства. Основные числовые характеристики непрерывной случайной величины.

12. Нормальный закон распределения. Вероятность попадения нормально распределенной случайнойвеличиныв заданный интервал.Правило трех сигм.

13. Статистическая совокупность.Генеральная и выборочная статистическиесовокупности.Статистический дискретный ряд распределения.Полигоны частот и относительных частот.

14.Статистический интервальный ряд распределения.Гистограммы частоти относительных частот.

15.Выборочные характеристики распределения.Точечные оценки основныхчисловых характеристик генеральной совокупности

16.Интервалтьные оценки числовых характеристик генеральной совокупности.Доверительный интервал,доверительная вероятность. Распределение Стьюдента.

17. Основные понятия и определения колебательных процессов. Механические колебания. Гармонические колебания. Незатухающие колебания.

18. Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания.

19. Механические (упругие) волны. Основные характеристики волн. Уравнение плоской волны. Поток энергии и интенсивность волны. Вектор Умова.

20. Внутреннее трение (вязкость жидкости). Формула Ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Ламинарное и турбулентное течение жидкости. Формула Гагена-Пуазейля.

21. Звук. Виды звуков. Физические характеристики звука. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука. Шкала уровней интенсивности звука.

22. Закон Вебера-Фехнера. Шкала уровней громкости звука. Кривые равной громкости.

24. Действие ультразвука на вещество, клетки и ткани организма. Применение ультразвука в медицине.

25. Эффект Доплера и его использование в медико-биологических исследованиях

28. Биологические мембраны, их структура и функции. Модели мембран.

29. Перенос частиц через мембраны. Уравнение Фика. Применение уравнения Фика к биологической мембране. Уравнение Нернста-Планка.

30. Пассивный транспорт и его основные виды. Понятие об активном транспорте.

31. Биоэлектрические потенциалы. Потенциал покоя. Механизм генерации потенциала действия.

32. Переменный ток. Полное сопротивление в цепи переменного тока. Импеданс тканей организма. Дисперсия импеданса.

35.Поглощение света. Закон Бугера. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Конценрационная колориметрия.Нефелометрия.

36.Рассеяние света.Явление Тиндаля.Молекулярное рассеяние,Закон Рэлея.Комбинационное рассеяние.

37.Свет естественный и поляризованный.Поляризатор и анализатор. Закон Малюса

38.Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков. Закон Брюстера.

39.Поляризация света при двойном лучепреломлении. Призма Николя. Вращение плоскости поляризации. Закон Био.

43.Люминесценция, ее виды. Механизм и свойства люминесценции. Правило Стокса.

44.Применение люминофоров и люминесцентного анализа в медицине и фармации.

45.Вынужденное излучение. Инверсная заселенность уровней. Основные элементы лазера.

47.Свойства лазерного излучения. Применение лазерного излучения в медицине.

49.Первичные процессы взаимодействия рентгеновского излучения веществом: когерентное рассеяние, комптон-эффект, фотоэффект.

50.Физические основы применения рентгеновского излучение в медицине. Рентгенодиагностика. Современные рентгеновские компьютерные томографы.

51.Явление радиоактивности. Виды радиоактивного распада. Основной закон радиоактивного распада.

52. Альфа-распад ядер и его особенности. Бета-распад, его виды, особенности и спектр. Гамма излучение ядер.

54.Методы радиационной медицины. Радионуклидная диагностика.

55.Методы радиоизотопной терапии.

56.Ускорители заряженных частиц и их использование в медицине.

29. Перенос частиц через мембраны. Уравнение Фика. Применение уравнения Фика к биологической мембране. Уравнение Нернста-Планка.

Явления переноса – самопроизвольные необратимые процессы, в которых благодаря молекулярному движению из одной части системы в другую переносится какая-либо физическая величина.

К явлениям переноса, в частности, относятся диффузия (перенос массы) и электропроводность (перенос электрического заряда).

Как синоним переноса частиц в биофизике используется термин транспорт частиц.

Основное уравнение диффузии (Уравнение Фика ):

где J – плотность потока частиц, S – площадь элемента. Знак « – » показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону, противоположную градиенту концентрации (dc/dx ).

Уравнение Фика описывает диффузию в однородной среде. Модифицируем его для случая диффузии через мембрану.

Коэффициент распределения вещества (К) – величина, равная отношению концентраций частиц в граничащих средах:

Коэффициент распределения вещества между мембраной и окружающей средой равен коэффициенту распределения вещества между мембраной и клеткой:

, где

с i – концентрация частиц внутри клетки;

с мi внутренней поверхности;

с мо – концентрация частиц в мембране у ее внешней поверхности;

с о – концентрация частиц вне клетки.

Отсюда получаются выражения для концентрации частиц внутри мембраны:

Величины с о и с можно измерить. Учитывая малую толщину мембраны (L), можно считать, что концентрация молекул диффундирующего вещества изменяется в ней линейно. Поэтому градиент концентрации диффундирующего вещества постоянен:

30. Пассивный транспорт и его основные виды. Понятие об активном транспорте.

Различают два вида транспорта веществ через мембраны.

Пассивный транспорт имеет следующие разновидности :

1. Простая диффузия;

2. Диффузия через канал;

3. Облегчённая диффузия (осуществляется молекулами-переносчиками).

Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии, он происходит в результате перемещения частиц в сторону меньшего электрохимического потенциала.

Простая диффузия через липидный слой подчиняется в общем случае уравнению Нернста-Планка. Она происходит медленно и не может снабдить клетки в нужном количестве питательными веществами.

Перенос вещества через каналы происходит без затраты энергии и направлен в сторону уменьшения концентрации молекул. Каналы, образованные интегральными белками, проявляют избирательность к разным ионам. Такая селективность канала к различным ионам определяется его формой и размерами, а также электростатическими свойствами аминокислот, выстилающих поверхность канала.

Процесс облегченной диффузии также происходит без затраты энергии, направлен в сторону уменьшения концентрации молекул и протекает следующим образом: молекула переносимого вещества связывается со специальной молекулой-переносчиком в единый комплекс, который легко проходит через мембрану, а на другой ее стороне распадается, отщепляя переносимую молекулу.

При активном транспорте перенос вещества происходит в сторону больше концентрации. Этот процесс не является диффузией и протекает за счёт затраты энергии. Самой распространённой системой активного транспорта является натрий-калиевый насос . Натрий-калиевые насосы работают за счёт энергии гидролиза молекул АТФ с образованием молекул АДФ и неорганического фосфора Ф:

АТФ = АДФ + Ф.