Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат

Ответы на экзаменационные вопросы

3.Специфичность (селективность) процесса активного транспорта. Это свойство основано на особенностях ферментативного состава мембран. Для каждого вещества, которое переносится против градиентов, существует своя система активного транспорта, не способная перемещать другие соединения.

Всоставе любой системы активного транспорта веществ через биологические мембраны можно выделить следующие основные ком-

поненты:

1.Источник свободной энергии (например, макроэргические связи молекул АТФ, кератин-фосфат и тд.)

2.Переносчик данного вещества

3.Сопрягающий фактор (ферментативная система, сопрягающая работу источника энергии и переносчика).

При переносе вещества через биологическую мембрану против со-

ответствующих градиентов совершается определенная работа.

А Аконц. Аэл., где

Аконц. – работа, совершаемая по преодолению диффузионных сил, т.е. концентрационного градиента.

Аэл. – работа, необходимая для преодоления сил электрического поля мембраны.

Для совершения этой работы необходимы большие энергетические затраты. Поступление энергии происходит за счет молекул АТФ, которые включают три фосфатные группы, соединенные в виде цепочки. Извлечение энергии из АТФ происходит при гидролитическом отщеплении от концевой фосфатной группы. При этом АТФ переходит в

АДФ. АТФ H2O АДФ Н3 PO4

В клеточных мембранах есть ферменты, значительно ускоряющие гидролиз АТФ. Их называют аденозинтрифосфатазами (АТФ - азами). Для активного транспорта каждого вещества обнаружена своя АТФ - аза. Она активизируется именно тем веществом, транспорт которого она обеспечивает.

Примером системы активного транспорта является «натрийкалиевый насос», который постоянно выкачивает из клетки ионы Na+ и закачивает в нее К+. Такой насос работает в обе стороны против градиентов концентрации, т.к. концентрация К+ внутри клетки значительно больше, Na+ значительно меньше, чем в межклеточной жидкости.

В концевой фосфатной группе заключено 12 ккал. Считаем, что эта энергия переносится на белковые молекулы, имеющиеся в мембране. При присоединении фосфатной группы, молекула, играющая роль переносчика, фосфорилируется, т.е. приобретает достаточную энергию для преодоления градиента, направленного против движения переносимого вещества, отдавая перенесенное вещество на противоположной стороне биологической мембраны. Молекула переносчика дефосфорилируется и теряет энергию.

51

Физика	стоматологический факультет

Предполагается, что в разных мембранах и при переносе различных веществ переносчики могут работать с использованием различных механизмов:

1. Переносчиками могут быть мелкие белковые молекулы, которые вместе с переносимым веществом могут проходить через всю толщину биологической мембраны, работая по принципу «малой» или «большой» карусели.

X				X
A				A

	X						X
А						Б

Рис. 17. Схема переноса молекул через клеточную мембрану с помощью переносчика по системе малой (А) и большой карусели (Б).

«Малая карусель» - переносчик заключен в мембране, и взаимодействие с переносимым веществом происходит только на поверхности мембраны (А).

«Большая карусель» - переносчик имеется и в мембране, и в примембранном пространстве. Комплексообразование происходит в примембранном пространстве (Б).

2. Переносчиками могут быть крупные молекулы пронизывающие всю биомембрану. Они переносят транспортируемые вещества через мембрану посредством ротации или сдвига.

Ротационный механизм: приняв фосфатную группу и переносимое вещество, переносчик совершает поворот на 180˚ и отдает вещество в примембранное пространство с противоположной стороны мембраны. В дефосфорилированном виде переносчик опять поворачивается и занимает исходное положение. Такой процесс требует больших затрат энергии.

Более выгодным в энергетическом отношении является механохимический процесс в молекуле переносчика. При таком способе вместе с участком переносчика, уходящим с поверхности вглубь мембраны, в нее погружается и транспортируемое вещество.

Энергетическое обеспечение активного транспорта может быть связано не только с АТФ. Переносчики могут получать энергию непосредственно из окислительно-восстановительных реакций (характерно для мембран митохондрий). Такие биологические насосы называют редокс-

помпой.

52

Ответы на экзаменационные вопросы

Цитоз

Посредством эндоцитоза в клетку поступают гормоны (например, инсулин), некоторые иммуноглобулины, ионы железа, необходимые для синтеза цитохромов и тд.

Экзоцитоз – процесс обратный эндоцитозу. Примером экзоцитоза является выход медиатора в синапсе, выделение веществ из секреторных клеток, например, выход гранулы фермента из поджелудочной железы и тд.

14. Акустика. Природа звука. Физические и физиологические характеристики звука. Закон Вебера-Фехнера применительно к слуховому анализатору. Аудиометрия.

Природа звука - упругая среда, между частицами которой существуют силы взаимодействия, препятствующие ее деформации.

Звук - колебание частиц упругой среды, распространяющееся в виде продольных волн в газах, жидкостях, твердых телах. Воспринимается человеком в диапазоне частот 16-20000 Гц.

Механизм распространения звуковой волны

Если произвести резкое смещение частиц в каком-то месте, то среда деформируется, возникают упругие силы, которые стремятся вернуть частицы в положение равновесия и воздействуют на соседние частицы, выводя их из равновесия. Передача смещений от частицы к частице сопровождается изменением расстояния между ними и изменением давления в каждой точке среды. Область повышенного давления перемещается в упругой среде, за ней следует область пониженного давления. Если производить непрерывные смещения частиц с какой-то частотой, то образуется ряд чередующихся областей сжатия и растяжения, распространяющихся в среде в виде волны.

Виды звука:

1.Чистый тон – периодический гармонический процесс

2.Сложный тон – периодический негармонический процесс.

3.Шум - звук, отличающийся непериодической зависимостью.

4.Удар – интенсивное кратковременное воздействие.

53

Физика	стоматологический факультет

Характеристики звука

1)Объективные характеристики звука

Частота - величина, равная числу полных периодов колебаний, совершаемых в единицу времени. Единица измерения – Герц

(Гц)

Гармонический спектр – отношение мощности, переносимой звуковой волной через площадку, расположенную перпендикулярно распространению, к площади этой площадки. [Вт/м²]

Ухо человека чувствительно к интенсивности в пределах от I0 10 12 Вт / м2 - порог слышимости

до I max 10Вт / м2 - порог болевого ощущения

Интенсивность звука удобно сравнивать в логарифмической шкале: Уровень интенсивности, L Белл , соответствующий порогу слышимости принят за «0» Белл; разница в 1 Белл соответствует L=10

L k lg I , где I 0

I - исследуемая интенсивность I 0 - порог слышимости

L - уровень интенсивности

При k 1 L Белл k 10 L дециБелл

2) Субъективные характеристика звука

Высота – качество звука, определяемое на слух и зависящее от частоты звука

Тембр – определяется спектральным составом звука.

Громкость – характеризует звуковое ощущение для данного звука Уровень громкости – различие в восприятии человеком звуков разной частоты. Уровень громкости данной частоты – уровень интенсивности

чистого тона, громкость которого при сравнении на слух, эквивалентна громкости исследуемого тона.

Закон Вебера-Фехнера

Если раздражение увеличить в геометрической прогрессии, т.е. в одинаковое число раз, то ощущение раздражения возрастет в арифметической прогрессии, т.е. на одинаковую величину.

E lg	I	,
	I0
54

Ответы на экзаменационные вопросы

где

I - исследуемая интенсивность

I 0 - порог слышимости

- коэффициент пропорциональности Для звукового тона 1кГц значения уровней громкости и ин-

тенсивности числено совпадают. Интервал уровней громкости между порогами слышимости и порогами ощущения так же разделен на 13.

Аудиометрия

Аудиометрия - измерение остроты слуха. Так как острота слуха определяется главным образом порогом восприятия звука, то аудиометрия сводится к определению наименьшей силы звука, воспринимаемого человеком.

Наиболее простыми методами аудиометрии являются обнаружение восприятия звуков различной громкости, производимых человеческой речью или камертонами с разных расстояний.

В основном аудиометрию производят специальными электроакустическими приборами - аудиометрами. При изменении на аудиометре высоты (от 100 до 8000 Гц) и силы звука (от 0 до 125 дб) устанавливают их минимальную интенсивность, при которой звук становится едва слышимым (порог восприятия). Результаты записываются в виде аудиограммы - кривой, нанесённой на специальную аудиометрическую сетку. Определив по шкале пороговую интенсивность звука у обследуемого, устанавливают степень снижения слуха.

15. Ультразвук. Источники и приёмники ультразвука. Особенности распространения ультразвуковых волн. Использование ультразвука в медицине (УЗ-диагностика, УЗтерапия, УЗ-хирургия).

Ультразвук отличается более короткими длинами волн, следовательно, может излучаться в виде узконаправленных пучков - ультразвуковых лучей.

Отражение и преломление на границе двух сред подчиняется законам геометрической оптики. Ультразвуковые лучи могут распространяться в таких средах, которые являются не прозрачными для световых лучей. Ультразвуковые волны большой интенсивности могут сопровождаться нелинейными эффектами. Например, кавитация – образование при сжатии в жидкости микроскопических полостей, которые заполняются парами жидкости или газа, а затем при сближении частиц во время сжатия пузырьки захлопываются и создаются импульсы давления, способные разрушить очень прочные материалы.

55

Физика	стоматологический факультет

Источники ультразвука

В основе – обратный пьезоэлектрический эффект. Некоторые кристаллы (кварц) под действием электрического поля меняют свою толщину. При уменьшении толщины пластинки такого кристалла в прилегающих слоях окружающей среды образуется разряжение, при увеличении - сгущение частиц среды.

Применение в медицине

Пьезоэффект, благодаря которому получают ультразвуковые колебания, был открыт в 1881 году братьями П. Кюри и Ж.П. Кюри. Свое первое применение он нашел во время первой мировой войны, когда К.В. Шиловский и П. Ланжевен разработали сонар, использовавшийся для навигации судов, определения расстояния до цели и поиска подводных лодок. В 1929 года крупнейший советский физик-акустик С. Я. Соколов и его ученики применили ультразвук для неразрушающего контроля в металлургии (дефектоскопия).

Попытки использования УЗ в целях медицинской диагностики привели к появлению в 1937 году одномерной эхоэнцефалографии. Однако лишь в начале пятидесятых годов удалось получить УЗ изображение внутренних органов и тканей человека. С этого момента УЗ эхоскопия стала широко применяться в диагностике многих заболеваний и повреждений внутренних органов.

В

медицине

применяют

ультразвуковые

волны

800 3000кГц .

Основное применение ультразвук находит в диагностических целях для визуализации структуры внутренних органов и других анатомических образований.

Информацию о внутренней структуре исследуемой среды несут различные эффекты взаимодействия ультразвука с ней: отражение, преломление, рассеяние, поглощение, а также изменение скорости распространения. Основополагающей является способность УЗ волн распространяться прямолинейно и с постоянной скоростью в однородной среде и отражаться в виде эхо от неоднородностей или границ этой среды, характеризующихся изменением акустического импеданса. Это позволяет обнаруживать и визуализировать неоднородности исследуемых сред, определять их местоположение, линейные размеры, упругие свойства и другие физические характеристики.

Отдельно можно отметить доплерографию.

Доплерография – метод ультразвуковой диагностики, основанный на эффекте Доплера. Эффект Доплера – это изменение частоты ультразвуковых волн, воспринимаемых датчиком, происходящее вследствие перемещения исследуемого объекта относительно датчика.

Доплерография используется в медицине для изучения формы, контуров и просветов кровеносных сосудов. Фиброзная стенка сосуда является хорошим отражателем ультразвуковых волн и поэтому четко видна

56

Ответы на экзаменационные вопросы

на сонограммах. Это позволяет обнаружить сужения и тромбоз сосудов, отдельные атеросклеротические бляшки в них, нарушения кровотока, определить состояние коллатерального кровообращения.

Особое значение в последние годы приобретает сочетание допплерографии и сонографии (так называемая дуплексная сонография). При ней получают как изображение сосудов (анатомическая информация), так и запись кривой кровотока в них (физиологическая информация). Возникает возможность прямого неинвазивного исследования для диагностики окклюзионных поражений различных сосудов с одновременной оценкой кровотока в них. Таким образом следят за кровенаполнением плаценты, сокращениями сердца у плода, за направлением кровотока в камерах сердца, определяют обратный ток крови в системе воротной вены, вычисляют степень стеноза сосуда и т. д.

Относительно недавно появился новый вид доплерографии – цветная доплерография, обладающая рядом преимуществ по сравнению с обычной.

Терапевтическое (лечебное) действие:

1.Механическое действие. Механическое колебание тканевых частиц обуславливает микромассаж клеток и тканей.

2.Физико-химическое действие заключается в изменение хода окис- лительно-восстановительных реакций, изменение активности ферментов, и тд.

3.Тепловое действие – прогревание тканей в результате поглощения энергии ультразвукового излучения

4.Ультрафонофорез – введение лекарства под действием ультразвука.

16.Когерентные источники света. Интерференция света, условия максимумов и минимумов интерференционной карти-

ны. Дифракция. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция

света на щели. Дифракционная решётка. Условие главных максимумов.

Когерентными источниками называются такие источники, которые дают волны с одинаковой частотой, и для фиксированной точки пространства разность фаз колебаний, возбуждаемых волнами, остается постоянной.

Когерентность можно обеспечить, если разделить волну от одного источника на две части и затем свести их вместе. Излученные одной системой атомов, полученные таким способом, две волны будут когерентны и при наложении будут интерферировать.

Интерференция – сложение в пространстве двух волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция возникает от согласован-

57

Физика	стоматологический факультет

ных (когерентных) источников, которые обеспечивают постоянную во времени разность фаз распространяющихся в них волн

1

.	2
Рис. 18. Распространение волн в пространстве

E

E

cos w(t

x1

)

01

1

v1

E

E

cos w(t

x2

) , где w(t

x

) - фаза волны

02

1

v2

v

E 2

E 2

E 2

2E

01

E

02

cos

01

02

Так как I E 2 , то

I I1 I 2

2

I1 I 2 cos

Если источники не когерентны, то среднее значение cos 0

Так как излучение атомов обоих источников света не хаотично, то

I I1 I2

Если источники когерентны Emax2 I max ,

при cos 1 2k - максимум

E 2

I

min

min

при cos 1 (2k 1) - минимум

Волны распространяются в средах с показателями n1

и n2

v

c

v

c

,

2

1

n1

n2

где c – скорость света в вакууме

x

x

2

2

x

2

x

2

2

w t

1

t

1

(x

n

x n )

2

v

v

T

v

v

T c

2

1

1

2

2

1

1

где x2 n2

x1n1 - оптическая разность хода интерферирующих волн

Тогда, максимум 2k

2

k , k 0, 1, 2...

58

Ответы на экзаменационные вопросы

	минимум (2k 1)	2	2k 1
			2

Принцип Гюйгенса-Френеля
Ка ждый элеме нт по верх но с ти , котор ого	до с тигла в
да нный мо ме нт во лна , являе тс я ис то чником	втори чных

(ко гер е нтным ) во лн. Их вне шняя оги ба ющая будет во лн о - вой по вер х нос тью в п ос ле ду ющие моме нты вр еме ни .

Дифракция на щели в параллельных лучах света.

Ди ф рак ция – явле ние о ткло не ния во лны о т пр ямо л и- не йного ра с прос тра не ния в сре де с р езким и нео дноро дн о - с тям и ( на пр им ер , не пр о зра чны й экран) .

При расчете получающейся картинки с помощью принципа Гюй- генса-Френеля, волновую поверхность разбивают на ряд когерентных источников и рассматривают интерференцию от них. Т.е. с точки зрения принципа Гюйгенса-Френеля разницы между интерференцией и дифракцией нет. Дифракцию можно наблюдать при условии, что

d (длина волны сравнима с размером препятствия).

59

Физика	стоматологический факультет

	Зоны Френеля
	a
A	В

α	α		D
				½ длины вол-
				Собирательная
				линза
F
				экран
I	Р		О
К=-2	К=-1	К=0	К=1	К=2
				Sin x

0

Рис. 19. Прохождение света через дифракционную щель. a –ширина щели; BD – разность хода между лучами

BD AB sin a sin

a sin 2k 2 k - минимум a sin 2k 1 2 - максимум

Спроектируем концы отрезков па щель АВ. В результате волновая поверхность разбита на когерентные источники. Волны от соседних источников сдвинуты на ½ длины волны. Если число зон Френеля четное, то в точке Р будет минимальная интенсивность, а если нечетное, то – максимальная, т.к. излучение соседних зон находится в противофазе.

60