Итоговые занятия: 6, 13, 17
ЗАНЯТИЕ № 1
ТЕМА: Биологические эффекты ультрафиолетового излучения
Цель: Изучить механизмы загара, канцерогенеза и эритемного действия УФ-излучения, основные принципы фотомедицины
Раздел медицины, посвященный терапевтическому применению или патологическим последствиям действия оптического излучения, называется фотомедицина. Из всего оптического диапазона наиболее эффективно ультрафиолетовое излучение. Главная мишень действия ультрафиолетового излучения - кожа человека и животных, так как глубже кожи ультрафиолет не проникает.
Эритема – это покраснение кожи, возникающее вследствие расширения кровеносных сосудов кожи – гиперемии. Пигментация кожи – защитный фотобиологический процесс, приводящий к образованию пигмента меланина, который защищает кожу от фотоповреждения (поглощает фотоны, перехватывает свободные радикалы, связывает ионы железа). Один из важных вредных эффектов УФ-облучения кожи – индукция злокачественных опухолей.
УФ зона спектра B (290-320 нм) способна повреждать молекулы ДНК, тогда как УФ спектр A (320-400 нм) обеспечивает загар, эритемное действие и старение кожи. Большая часть УФ излучения с длиной волны меньше 320 нм поглощается эпидермисом, стимулирует пролиферацию меланоцитов и не достигает базального слоя. Излучение с длиной волны более 320 нм проникает в сетчатый слой дермы и подкожножировую клетчатку.
Кожа имеет два главных барьера для УФ излучения: кератин, главным образом содержащийся в роговом слое, и меланин, сконцентрированный в меланоцитах. Физиологические реакции кожи на солнечное излучение проявляются утолщением РС и увеличением содержания меланина в эпидермисе. Фотозащитными свойствами обладают также роканиновая кислота, производимая кератиноцитами, нуклеиновые кислоты, липиды, липопротеины и каротеноиды. Эти вещества абсорбируют, рассеивают и отражают излучения, предохраняют ДНК, клеточные белки и мембранные липиды от УФ повреждения. Комплексное повреждающее действие УФ излучения на ДНК клеток, угнетение иммунных реакций может приводить к формированию группы заболеваний — актинических (солнечных) кератозов, солнечного эластоза, базально- и плоскоклеточного рака, меланомы.
Вопросы для рассмотрения на занятии:
8. Токсические и аллергические эффекты ультрафиолетового излучения. Дозовые зависимости фототоксических и фотоаллергических процессов. Механизм развития фотоаллергических процессов.
9. Эритемное действие ультрафиолетового излучения.
· Способы оценки спектров действия.
· Особенности развития эритемы А, В и С.
10. Пигментации кожи под действием ультрафиолетового излучения.
· Механизм прямой пигментации кожи.
· Механизм непрямой пигментации кожи.
11. Фотоканцерогенез. Дозовая зависимость. Синергизм действия ультрафиолета и химических канцерогенов.
12. Фототоксические эффекты ультрафиолета на примере протопорфиринов.
13. Использование ультрафиолетового излучения и видимого света в терапии.
· Фотореактивирующие ферменты.
· Реактивация ферментов под действием света.
· ПУФА-терапия.
Самостоятельная работа
Рассчитайте необходимую для индукции эритемы длительность облучения кожи светом с интенсивностью 0,03 Дж/(м2∙с) при 280 нм при условии, что активной является нижняя половина эпидермиса и что для этой половины эритемогенная доза составляет 10 Дж/м2.
Литература
· Владимиров Ю.А. Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М., 1989, стр. 130-143 (Глава 7)
· Рощупкин Д.И., Артюхов В.Г. Основы фотобиофизики. – Воронеж, 1997, стр. 77-82 (Глава 9)
· Потапенко А.Я. Действие света на человека и животных // СОЖ, №10, 1996, стр. 13-21
· Потапенко А.Я. Псоралены и медицина – 4000-летний опыт фотохимиотерапии // СОЖ, №11, 2000, стр. 22-29
ЗАНЯТИЕ № 2
ТЕМА: Элементы биофизики органов чувств
Цель: Изучить общие принципы рецепции и преобразования сигнала в органах чувств
Организм представляет собой сложную саморегулирующуюся систему, которая характеризуется обменом веществ, энергии и информации с окружающей средой.
Целесообразное реагирование организма при постоянно меняющихся условиях внешней среды возможно только при наличии непрерывного поступления в организм информации от этой среды. Функцию получения и переработки информации об условиях внешней среды в организме выполняют органы чувств. По существу органы чувств представляют собой измерительные устройства для анализа внешних физических стимулов, а также для оценки эффективности действий, произведенных организмом. Таким образом, органы чувств выполняют роль обратной информационной связи в системе организм – среда.
При исследовании работы органов чувств представляют интерес два аспекта: кибернетический и биофизический. Кибернетический аспект заключается в изучении принципов кодирования и переработки информации в органах чувств, а биофизический – в исследовании конкретных физико-химических процессов взаимодействия факторов внешней среды с органами чувств, приводящий к трансформации энергии внешнего воздействия в специфические сигналы, пригодные для анализа нервной системой.
Схема, показывающая взаимодействие организма и внешней среды.
Фосфорилирование белков протеинкиназами и дефосфорилирование их многочисленными клеточными ферментами гидролиза – фосфатазами оказалось универсальным механизмом мгновенного ответа клетки на внешнее воздействие. В результате фосфорилирования мембранных белков открываются каналы проводимости катионов, и как следствие мгновенно меняется поверхностный потенциал клетки, в результате чего возникает вместо потенциала покоя потенциал действия. Он передается по аксону в обонятельную луковицу, где и происходит отбор биологически значимых сигналов от обонятельного «шума», а затем путь сигнала ведет в мозг и вызывает поведенческий ответ животного.
Вопросы для рассмотрения на занятии:
11. Общие закономерности работы органов чувств.
12. Теории восприятия вкуса.
· Химические рецепторы возбуждений вкуса.
13. Теория обоняния.
· Секреторные железы Боумена, роль щелочных фосфатаз.
· Схема строения адреналинового и запахового рецепторов.
14. Теории восприятия звука.
· Физическая природа звука. Частотная зависимость чувствительности уха.
· Механические свойства барабанной перепонки и базилярной мембраны улитки.
· Методы исследования колебаний базилярной мембраны.
· Рецепция колебаний базилярной мембраны волосковыми клетками.
· Механизм распознавания чистых тонов.
· Резонансная теория слуха Гельмгольца. Теории Флетчера, Эвальда
Самостоятельная работа
Наружный слуховой проход у человека, являющийся резонатором звуковых волн, имеет длину 2,7 см. Резонанс наблюдается, если длина резонатора составляет одну четвертую длины волны. Рассчитайте резонансную частоту, которая будет соответствовать максимальной чувствительности слуха.
Литература
· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, стр. 252-258
· Губанов Н.И. Медицинская биофизика. – М., 1978, стр. 25-39, 283-304
· Seeing, hearing and smelling the world. A report from the Howard Hughes medical institute. 1995
ЗАНЯТИЕ № 3
ТЕМА: Биофизические основы зрения
Цель: Систематизировать знания о физико-химических основах формирования сумеречного и цветного зрения
Зрение имеет для животных очень большое значение, так как наибольшее количество информации от внешней среды поступает именно в зрительный анализатор.
Орган зрения глаз – включает в себя рецепторный аппарат, находящийся в сетчатке, и оптическую систему. Оптическая система включает в свой состав роговую оболочку, хрусталик и стекловидное тело, имеющие различные коэффициенты преломления.
Оптическая система фокусирует световые лучи, идущие от объектов, и обеспечивает четкое изображение объектов на сетчатке в уменьшенном и обратном виде. Четкое изображение предметов на сетчатке, находящихся на различном расстоянии от глаза, возможно благодаря явлению аккомодации, в основе которого лежит изменение кривизны хрусталика и, следовательно, его преломляющей способности. Оптическая сила глаза человека равна примерно 59 диоптриям при рассматривании далеких предметов и 70,5 диоптриям при рассматривании близких предметов.
Способность глаза по-разному воспринимать свет различной длины волны называется цветным зрением. Еще в конце позапрошлого века было установлено, что палочки сетчатки являются рецепторами системы монохроматического (черно-белого) зрения, а колбочки – рецепторами системы полихроматического (цветового) зрения.
При монокулярном зрении основное значение в оценке расстояния имеет явление аккомодации, которое заключается в изменении кривизны хрусталика для получения изображения на сетчатке. При бинокулярном зрении основное значение в оценке расстояния имеет явление диспарации – расхождения изображений на сетчатке глаз.
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Структура органа зрения.
2. Строение и функции палочек. Зависимость поглощения света от ориентации молекул. Дихроизм поглощения.
3. Спектры действия скотопического и фотопического зрения, кривая видности.
4. Метод импульсного фотолиза и кинетической спектрофотометрии в исследованиях быстрых фотопревращений зрительных пигментов.
5. Спектры поглощения родопсина и иодопсинов, палочек и колбочек.
6. Цис-транс–фотоизимеризация ретиналя.
7. Цепь фотопревращений родопсина. Механизм фотопревращения родопсина в батородопсин.
8. Энергетика фотоизомеризации родопсина и батородопсина.
9. Рецепторные потенциалы.
10. Цветовое зрение.
Самостоятельная работа
«Сравнительная характеристика скотопического и фотопического зрения»
| Спектральный диапазон | Чувствительность | |
| Сумеречное зрение | ||
| Цветовое зрение |
Литература
· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, стр. 244-252
· Рубин А.Б. Биофизика. Т 2. – М., 2000, стр. 388-424
· Владимиров Ю.А. Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М., 1989, стр. 145-156
· Рощупкин Д.И., Артюхов В.Г. Основы фотобиофизики. – Воронеж, 1997, стр. 12-15, 42, 91-98
· Губанов Н.И. Медицинская биофизика. – М., 1978, стр. 304-314
ЗАНЯТИЕ № 4
ТЕМА: Механические свойства тканей
Цель: Изучить характеристики основных механических моделей тканей
Биомеханические явления весьма разнохарактерны и включают в себя такие процессы, как функционирование опорно-двигательной системы организма, процессы деформации тканей и клеток, распространение волн упругой деформации, сокращение и расслабление мышц, конвекционное движение биологических жидкостей и легочного газа.
Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами. К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксацию. Сократимость – это способность мышцы сокращаться при возбуждении. Упругость состоит в способности восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растяжении в мышце возникает энергия упругой деформации. Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам. Прочность оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв составляет от 0,1 до 0,3 Н/мм2. Предел прочности сухожилий на два порядка величины больше и составляет 50 Н/мм2. Однако, при очень быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, успев самортизировать. Релаксация – свойство мышцы, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы.
Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию. Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.
Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16-18 кН. Менее прочны кости на изгиб и кручение.
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Биомеханические процессы в природе.
2. Биомеханические процессы в биохимии.
3. Биомеханические модели тканей.
· Чисто упругий элемент, его свойства.
· Вязкостный элемент, его свойства.
· Тело Фойгта. Тело Максвелла.
· Другие сочетания упругих и вязкостных элементов.
4. Поведение элементов при постоянном напряжении.
5. Поведение элементов при постоянном смещении.
6. Механические свойства мышц.
· Вязкостные и упругие свойства гладких мышц.
· Вязкостные и упругие свойства скелетных мышц.
o Тангенциальный модуль упругости.
o Природа упругости скелетных мышц.
7. Механические свойства костей.
· Механическая прочность.
· Эффекты деформации.
8. Механические процессы в легких.
· Силы, определяющие упругие свойства легких.
· Уравнение Лапласа. P-V – диаграммы.
· Гистерезис сжатия растяжения. Работа выдоха.
Самостоятельная работа
1. Закон Гука. Упругость белков.
2. Вязкость. Определение. Вязкость растворов биополимеров.
3. Биологический смысл пьезоэлектрического эффекта в костях.
Литература
· Владимиров Ю.А. Биофизика.- М., 1983, стр. 193-212
· Губанов Н.И. Медицинская биофизика.- М., 1978, стр. 315-329
ЗАНЯТИЕ № 5-6
ТЕМА: Модели мышечного сокращения. Работа мышечного аппарата при стационарных нагрузках. Биохимические стадии сокращения, соответсвующие механическим стадиям рабочего цикла мостика
Цель: Изучить физические механизмы работы мышечного аппарата при стационарных нагрузках
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Взаимосвязи между механическими и энергетическими параметрами мышечного сокращения в стационарном режиме сокращения. Уравнения Хилла.
· Зависимость теплопродукции от смещения.
· Соотношение между скоростью изотонического сокращения и развиваемой силой.
· Эффективность преобразования энергии.
· Справедливость уравнений Хилла.
2. Структура сократительного аппарата.
· Пространственная конфигурация миозиновых нитей.
· Пространственная конфигурация актиновых нитей.
· Дифракционная картина малоуглового рассеяния рентгеновских лучей при замыкании мостиков.
· Мостиковая гипотеза генерации силы.
· Биохимические стадии сокращения, соответствующие механическим стадиям рабочего цикла мостика.
Литература
· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, стр. 213-225
· Рубин А.Б. Биофизика. Т 2. – М., 2000, стр. 225-257
· Гусев Н.Б. Молекулярные механизмы мышечного сокращения. // СОЖ, №8, 2000, стр. 24-32
· Губанов Н.И. Медицинская биофизика. – М., 1978, стр. 251-270
· Тихонов А.И. Молекулярные моторы. Часть 2. Молекулярные основы биологической подвижности. // СОЖ, №6, 1999, стр. 17-24
ЗАНЯТИЕ № 7
ТЕМА: Модели мышечного сокращения. Справедливость моделей мышечного сокращения при стационарных и нестационарных режимах нагрузки
Цель: Провести сравнительный анализ моделей мышечного сокращения и их соответствия совокупности экспериментальных данных
Механическая модель головки миозина. Полный цикл работы мостика.
(по Erwin W. Becker 2000)
M1-M4, домены центральной области;
CO, область конвертера с механическим механизмом;
L, рука рычага;
PB, фосфатный карман;
C1, 50-кДа щель; C2, ATP щель; C3, SH щель;
PT, поршень притягивающий фосфат на АТФ;
HE, спираль, связывающая группу фосфатов к M1; E1, E2, упругие элементы.
После перемещения АТФ головка из прочного связывающего состояния (a) переходит на непрочное связывающее состояние (b). Отделение и перераспределение приводит к другому неустойчивому состоянию (c) и другому положению актина с оптимальной конформацией для рабочего хода. Для экономии места, диаграммы (с) и (d) перемещены направо по сравнению с их истинным положением относительно (a) и (b). При переходе к устойчивому состоянию (d) (рабочий ход) вытягивается упругий элемент E2, позволяя уйти фосфату. Передача свободной энергии, запасенной в E2 на филаменты (нити актина и миозина) возвращает систему назад (a) в результатt замены АДФ на АТФ.
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Анализ моделей Хаксли и Дещеревского для стационарных режимов сокращения.
· Зависимость механических свойств от степени перекрытия нити.
· Теория Э.Хаксли. Смысл параметров.
· Модель Дещеревского. Смысл параметров.
· Связь параметров модели Дещеревского с параметрами уравнений Хилла.
2. Нестационарные режимы сокращения.
· Фазы изменения напряжения при одноступеньчатом укорочении.
· Изменения напряжения при многоступеньчатом укорочении.
· Фазы сокращения, соответствующие модели Войта.
· Модели мостика, генерирующего силу: модель Хаксли и Симмонса, модель Айзенберга и Хилла.
3. Молекулярный мотор мышцы.
· Трехмерная структура субфрагмента 1 миозина.
· Молекулярная модель рабочего цикла мостика.
Литература
· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, стр. 213-225
· Рубин А.Б. Биофизика. Т 2. – М., 2000, стр. 225-257
· Гусев Н.Б. Молекулярные механизмы мышечного сокращения. // СОЖ, №8, 2000, стр. 24-32
· Губанов Н.И. Медицинская биофизика. – М., 1978, стр. 251-270
· Тихонов А.И. Молекулярные моторы. Часть 2. Молекулярные основы биологической подвижности. // СОЖ, №6, 1999, стр. 17-24
ЗАНЯТИЕ № 8
ТЕМА: Механические свойства сосудов
Цель: Изучить общие механические свойства стенок сосудов и их изменения при патологических состояниях
Стенка всех кровеносных сосудов, за исключением капилляров, построена из вязкоэластичного материала. Поэтому крупные сосуды способны к значительным обратимым изменениям размера при действии на их стенку внешней деформирующей силы, а также при активном сокращении и расслаблении гладкой мускулатуры самой стенки.
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Продольная и тангенциальная деформация стенок сосудов.
2. Уравнение Ламе.
3. Зависимость просвета сосуда от давления.
4. Уравнения деформации при высоком модуле упругости.
5. Динамический модуль упругости.
6. Соотношение между динамическим и статическим модулем упругости.
7. Контрольная работа: «Общие принципы формирования ответа в органах чувств».
Контрольная работа
1. Токсические и аллергические эффекты ультрафиолетового излучения.
2. Дозовые зависимости фототоксических и фотоаллергических процессов.
3. Способы оценки спектров действия ультрафиолетового излучения.
4. Особенности развития эритемы А, В и С.
5. Механизм прямой пигментации кожи.
6. Механизм непрямой пигментации кожи.
7. Фотоканцерогенез. Дозовая зависимость.
8. Синергизм действия ультрафиолета и химических канцерогенов.
9. Фототоксические эффекты ультрафиолета на примере протопорфиринов.
10. Фотореактивирующие ферменты.
11. Реактивация ферментов под действием света.
12. ПУФА-терапия.
13. Какие вопросы рецепции относятся к кибернетическим, а какие к биофизическим?
14. Приведите уровни организации функциональных систем и их иерархию.
15. Что такое управление?
16. Что такое статическое и динамическое регулирование?
17. Типы обратных связей.
18. Зачем нужны обратные связи?
19. Закон Вебера-Фехнера.
20. Какой зависимостью связаны интенсивность сигнала и величина генераторного потенциала?
21. Какой зависимостью связаны генераторный потенциал и частоты потенциала действия?
22. Что такое ранний рецепторный потенциал?
23. Какой зависимостью связаны ранний рецепторный потенциал и интенсивность света?
24. Какие свойства хромофора позволяют использовать его в системах с разными спектральными характеристиками?
25. Каким образом связаны фотохимический и фотобиологический эффекты в органах зрения?
26. Что такое кривая видности?
27. Продукты темновых реакций разложения батородопсина.
28. Как регенерируют продукты темновых реакций разложения батородопсина?
29. Какие процессы могут происходить при накоплении свободного ретиналя?
30. Чем определяется возможность высокой конформационной подвижности опсина и иодопсинов?
31. Почему спектральные характеристики колбочек и палочек различны?
32. В чем опасность излучения с длиной волны около 400 нм?
33. Какая информация используется для определения направления звука?
34. Справедлива ли теория слуха Гельмгольца?
35. За счет чего происходит увеличение давления в наружном и среднем ухе?
36. Почему удобно измерять интенсивность звука в децибелах?
37. Что такое децибел?
38. При каких частотах в улитке возможна регистрация интенсивности бегущей волны?
39. В чем сходство формирования вкусового и зрительного восприятия?
40. Какие частоты используются при определения направления звука?
Литература
· Губанов Н.И. Медицинская биофизика.- М., 1978, стр. 275-282
· Владимиров Ю.А. Биофизика.- М., 1983, стр. 200-205
ЗАНЯТИЕ № 9
ТЕМА: Реологические свойства крови
Цель: Изучить основные закономерности, определяющие характер движения жидкости в сосудах
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Основы механики жидкостей.
· Вязкость (внутреннее трение) жидкости. Формула Ньютона.
· Ньютоновские и неньютоновские жидкости.
· Ламинарное и турбулентное течения. Число Рейнольдса.
· Линейная и объёмная скорости движения жидкости. Принцип неразрывность струи.
· Гидродинамическое и гидростатическое давление. Уравнение Бернулли.
· Закон Пуазейля, границы применимости. Гидравлическое сопротивление сосуда.
2. Реологические свойства крови.
· Зависимость вязкости от концентрации и формы частиц. Формула Энштейна.
· Вязкость при высоких и низких скоростях сдвига. Формула Кессона.
· Профиль скорости для ньютоновских жидкостей и для крови.
3. Движение крови по сосудистому руслу.
· Взаимосвязь между давлением и объемной скоростью кровотока: модель с распределенными параметрами.
· Аналогия гидравлических и электрических параметров.
Самостоятельная работа
Решить задачи 1-3 (Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, стр. 219).
Литература
· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, стр. 181-220 (Глава 9)
· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, стр. 225-244
· Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. 1981.
ЗАНЯТИЕ № 10
ТЕМА: Кинетика кровотока
Цель: Изучить модели, рассматривающие кинетику кровотока на различных участках сердечно-сосудистой системы
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Пульсовая волна, её характеристики. Формула Моэнса-Кортвега.
· Амплитуда в различных участках сосудистого русла.
· Скорость распространения.
· Длина волны.
2. Кинетика кровотока.
· Модель Франка (модель с сосредоточенными параметрами): фазы, допущения, ударный объем крови.
· Резистивная модель периферического кровотока. Особенности движения крови при сужении участков сосудов. Перепад давления и объёмная скорость кровотока на участках сужения.
· Фильтрационно-реадсорбционная модель периферического кровотока. Факторы, приводящие к избыточному выходу жидкости в межклеточное пространство.
Самостоятельная работа
Решить задачи 4-6 (Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, стр. 219).
Литература
· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, стр. 181-220 (Глава 9)
· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, стр. 225-244
· Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. 1981.
ЗАНЯТИЕ № 11
ИТОГОВОЕ ЗАНЯТИЕ: Механические свойства тканей и сосудов. Гемодинамика
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Пространственная конфигурация миозиновых нитей.
2. Пространственная конфигурация актиновых нитей.
3. Дифракционная картина малоуглового рассеяния рентгеновских лучей при замыкании мостиков.
4. Мостиковая гипотеза генерации силы.
5. Биохимические стадии сокращения, соответствующие механическим стадиям рабочего цикла мостика.
6. Соотношение между скоростью изотонического сокращения и развиваемой силой.
7. Уравнения Хилла. Справедливость уравнений Хилла.
8. Теория Э.Хаксли. Смысл параметров.
9. Модель Дещеревского. Смысл параметров.
10. Зависимость механических свойств от степени перекрытия актиновых и миозиновых нитей.
11. Модели мостика, генерирующего силу: модель Хаксли и Симмонса.
12. Модели мостика, генерирующего силу: модель Айзенберга и Хилла.
13. Молекулярный мотор мышцы.
14. Фазы изменения напряжения при одноступеньчатом укорочении.
15. Изменения напряжения при многоступеньчатом укорочении.
16. Биомеханические модели тканей: чисто упругий элемент, его свойства.
17. Биомеханические модели тканей: вязкостный элемент, его свойства.
18. Биомеханические модели тканей: тело Фойгта.
19. Биомеханические модели тканей: тело Максвелла.
20. Биомеханические модели тканей: сочетания упругих и вязкостных элементов.
21. Вязкостные и упругие свойства гладких мышц.
22. Вязкостные и упругие свойства скелетных мышц.
23. Механические свойства костей.
24. Уравнение Лапласа. Работа выдоха.
25. Механические процессы в легких: P-V – диаграммы.
26. Механические процессы в легких: гистерезис сжатия растяжения.
27. Продольная и тангенциальная деформация стенок сосудов.
28. Уравнение Ламе.
29. Уравнения деформации при высоком модуле упругости стенок сосудов.
30. Соотношение между динамическим и статическим модулем упругости.
31. Формула Ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости.
32. Профиль скорости для ньютоновских жидкостей и для крови.
33. Ламинарное и турбулентное течения. Число Рейнольдса.
34. Линейная и объёмная скорости движения жидкости. Принцип неразрывность струи.
35. Гидродинамическое и гидростатическое давление. Уравнение Бернулли.
36. Зависимость вязкости от концентрации и формы частиц. Формула Энштейна.
37. Закон Пуазейля, границы применимости. Гидравлическое сопротивление сосуда.
38. Вязкость при высоких и низких скоростях сдвига. Формула Кессона.
39. Взаимосвязь между давлением и объемной скоростью кровотока: модель с распределенными параметрами.
40. Движение крови по сосудистому руслу: аналогия гидравлических и электрических параметров.
41. Пульсовая волна, её характеристики.
42. Кинетика кровотока: модель Франка.
43. Резистивная модель периферического кровотока.
44. Фильтрационно-реадсорбционная модель периферического кровотока.
45. Факторы, приводящие к избыточному выходу жидкости в межклеточное пространство.
ЗАНЯТИЕ № 12
ТЕМА: Внешние электрические поля тканей и органов. Физические основы электрокардиографии
Цель: Изучить физические механизмы возникновения и принципы регистрации внешних электрических полей, связанных с функционированием внутренних органов
При функционировании тканей и органов, как и отдельных клеток, сопровождающемся электрической активностью, в организме создается электрическое поле. Поэтому два электрода, приложенные к разным участкам тела, регистрируют разность потенциалов. Зависимость от времени разности потенциалов, возникающей при функционировании данного органа или ткани, называется электрограммой.
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Электрограммы. Задачи электрографии. Электрокардиография. Распространение волн возбуждения.
2. Принцип эквивалентного генератора, схема, требования. Диполь, параметры.
3. Потенциалы электрического поля униполя.
4. Потенциалы электрического поля диполя.
5. Модель Эйнтховена, постулаты. Карта электрических потенциалов на поверхности тела.
6. Дипольный эквивалентный электрический генератор сердца.
7. Электрокардиограмма.
8. Векторэлектрокардиография.
9. Многодипольные эквивалентные электрические генераторы сердца. Модель Миллера и Гезелувитца.
Литература
· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, стр. 172-193
· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, стр. 112-126 (Глава 5)
ЗАНЯТИЕ № 13
ТЕМА: Автоволновые процессы в активных средах
Цель: Изучить распространенность и механизмы возникновения автоколебательных и автоволновых процессов в биологических системах
Автоволновыми процессами называют процессы распространения волн возбуждения в активных средах.
Характерными признаками активных сред является: а) существует распределенный источник энергии или вещества, богатых энергией; б) каждый элементарный объем среды находится в состоянии, далеком от термодинамического равновесия, т.е. является открытой термодинамической системой в которой диссипируется часть энергии, поступающей из распределенного источника; в) связь между соседними элементарными объемами осуществляется за счет процессов переноса.
По аналогии с автоколебательными Рем Викторович Хохлов предложил назвать системы, в которых возможно возникновение волн или структур в результате потери устойчивости однородного состояния, автоволновыми (АВ).
Периодические, автоколебательные явления свойственны процессу гликолиза. В Опытах Чанса, Гесса и сотрудников сначала были обнаружены затухающие концентрационные колебания в гликолизе, затем были открыты незатухающие автоколебания.
| Колебания концентрации NAD•H в экстракте дрожжей. | Реакция Белоусова-Жаботинского |
 |  |
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Колебательные процессы в природе. Свободные, вынужденные, автоколебания.
2. Механизмы возникновения колебаний на клеточном и внутриклеточном уровнях:
· Автоколебания в биохимических системах.
· Механизм возникновения колебаний на мембранах.
3. Активная среда, автоволны, их отличие от колебаний механических и электромагнитных волн. Механизм распространения нервного импульса.
4. Распространение автоволн в однородной среде. τ – модель Винера и Роземблюта.
5. Основные свойства автоволн. Однородные, неоднородные среды.
6. Условия возникновения циркуляции автоволн.
7. Трансформация ритма в неоднородной среде.
8. Ревербератор в среде с отверстием.
9. Возникновение ревербераций в неоднородных средах.
10. Свойства ревербератора. Условия возникновения мерцательной аритмии.
Самостоятельная работа
1. Тест (Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, стр. 141-143)
2. Колебательные процессы в биологии. Предельные циклы.
3. Колебания в ферментативных системах.
Литература
· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, стр. 127-143 (Глава 6)
· Волькенштеин М.В. Биофизика. – М., 1988, стр. 514-533
· Рубин А.Б. Биофизика. Т 1. – М., 2000, стр. 43-49, 71-77, 83-86
· Рубин А.Б. Лекции по биофизике. – М., 1998, стр. 31-35, 43-45
· Васильев В. А., Романовский Ю М., Яхпо В. Г. Автоволновые процессы в распределенных кинетических системах. // Успехи физических наук, Т 128, 1979, стр. 626-666
ЗАНЯТИЕ № 14
ТЕМА: Биофизические основы электроэнцефалографии
Цель: Изучить физические принципы и механизмы возникновения электрических потенциалов, обусловленных активностью коры головного мозга.
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Электрическая активность коры больших полушарий головного мозга.
· Активность пирамидных нейронов.
· Импульсный разряд, тормозные и возбуждающие постсинаптические потенциалы.
2. Генерация соматического и дендритного диполя.
3. Зависимость падения потенциала от частоты электрического поля.
4. Характеристики электрического поля коры головного мозга. Альфа, бета гамма сигма и тетта ритмы. Стандартное отклонение.
5. Общие закономерности возникновения внешнего электрического поля. Положительная корелляция активности пирамидных нейронов. Связь между стандартным отклонением дипольного момента нейронов и коры головного мозга.
6. Карты распределения электрического поля мозга.
Литература
· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999
· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983
ЗАНЯТИЕ № 15
ТЕМА: Физические процессы в тканях при воздействии током и электромагнитными полями
Цель: Изучить механизмы формирования потенциала на поверхности биомакромолекул и клеток, а так же природу проводимости тканей в зависимости от частоты электрического поля.
Электроосмос - движение дисперсионной среды в электрическом поле по направлению к электроду, заряженному противоположно дисперсионной среде и одноименно с частицами дисперсионной фазы.
Электрофорез – движение частиц дисперсионной фазы в электрическом поле по направлению к противоположно заряженному электроду.
Ионофорез – метод введения через неповрежденную кожу и слизистые оболочки в организм различных лекарственных веществ с помощью постоянного тока.
Биологическим объектам присущи пассивные электрические свойства: сопротивление и емкость (диэлектрическая проницаемость). Изучение пассивных электрических свойств биологических объектов имеет большое значение для понимания структуры и физико-химического состояния биологического вещества.
Биологические объекты обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обусловливает проводимость этих объектов. Диэлектрические свойства биологических объектов и величина диэлектрической проницаемости определяются структурными компонентами и явлениями поляризации.
Вопросы для рассмотрения на занятии:
1. Возникновение электрокинетического потенциала.
· Структура двойного электрического слоя.
· Факторы влияющие на строение двойного электрического слоя.
2. Электрофорез.
· ζ – потенциал эритроцитов.
· ζ – потенциал лейкоцитов.
· ζ – потенциал бактериальных клеток.
3. Электроосмос.
4. Ионофорез.
5. Потенциалы течения и оседания.
6. Электрический потенциал и агглютинация.
7. Электропроводность клеток и тканей для постоянного тока.
8. Виды поляризации.
· Электронная поляризация.
· Ионная поляризация.
· Дипольная (ориентационная) поляризация.
· Макроструктурная поляризация.
· Поверхностная поляризация.
· Электролитическая поляризация.