Механические свойства биологических тканей
Потенциал покая.
Потенциа́л поко́я (ПП) — мембранный потенциал возбудимой клетки в невозбужденном состоянии. Он представляет собой разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны . Измеряется изнутри клетки.
Потенциал действия (ПД). Все раздражители, действующие на клетку, вызывают в первую очередь снижение ПП; когда оно достигает критического значения (порога), возникает активный распространяющийся ответ — ПД . Во время восходящей фазы ПД кратковременно извращается потенциал на мембране: её внутренняя сторона, заряженная в покое электроотрицательно, приобретает в это время положительный потенциал. Достигнув вершины, ПД начинает падать (нисходящая фаза ПД), и потенциал на мембране возвращается к уровню, близкому к исходному, — ПП. Полное восстановление ПП происходит только после окончания следовых колебаний потенциала . Согласно мембранной теории, деполяризация мембраны, вызванная действием раздражителя, приводит к усилению потока Na+ внутрь клетки, что уменьшает отрицательный потенциал внутренней стороны мембраны — усиливает её деполяризацию. Это, в свою очередь, вызывает дальнейшее повышение проницаемости для Na+ и новое усиление деполяризации и т.д. Повышение проницаемости для Na+очень кратковременно и сменяется её падением , а следовательно, уменьшением потока Na+ внутрь клетки. Проницаемость для К+, в отличие от проницаемости для Na+, продолжает увеличиваться, что приводит к усилению потока К+ из клетки. В результате этих изменений ПД начинает падать, что ведёт к восстановлению ПП. Таков механизм генерации ПД в большинстве возбудимых тканей.
Аку́стика
(от греч. ἀκούω (аку́о) — слышу) — наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием.
Одной из важнейших характеристик звуковых волн является спектр.
§ Спектром называется набор различных частот, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным.
Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.
Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.
Любой звук, помимо частоты, характеризуется интенсивностью. Чтобы вызвать звуковые ощущения, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, называемой порогом слышимости. Интенсивность звуковых волн, при которой возникает ощущение давящей боли, называют порогом болевого ощущения или болевым порогом.
Интенсивность звука, улавливаемая ухом человека, лежит в широких пределах: от 10–12 Вт/м2 (порог слышимости) до 1 Вт/м2 (порог болевого ощущения).
Уровень интенсивности L любого звука в децибелах вычисляется через интенсивность звука по формуле
L=10lg(I\I0)
где I — интенсивность данного звука, I0 — интенсивность, соответствующая порогу слышимости.
Физическим характеристикам звука соответствуют определенные физиологические (субъективные) характеристики. Основными субъективными характеристиками звука можно считать громкость, высоту и тембр.
§ Громкость (степень слышимости звука) определяется, как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и различной чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 5000 Гц.
§ Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.
§ Тембр (оттенок звука) зависит от того, сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, флейты и гитары, голоса людей
Звуковые измерения
Главные величины, которые измеряют в акустике: Звуковое давление, Интенсивность звука, Колебательная скорость и смещение частиц, частота и период колебаний, скорость распространения, коэффициент затухания и др. Наиболее важная характеристика — звуковое давление; это связано с тем, что человеческое ухо в звуковой волне воспринимает именно это давление.
А. и. тесно переплетаются с электрическими измерениями и проводятся главным образом электронной измерительной аппаратурой.
Для измерений звукового давления служит измерительный Микрофон в воздухе или Гидрофон в воде. Для измерений различных шумов применяется Шумомер.
Фонокардиография (от греч. phone – звук и кардиография), диагностический метод графической регистрации сердечных тонов и сердечных шумов. Применяется в дополнение к аускультации (выслушиванию), позволяет объективно оценить интенсивность и продолжительность тонов и шумов, их характер и происхождение, записать неслышимые при аускультации 3-й и 4-й тоны Специальный аппарат для Ф. – фонокардиограф – состоит из микрофона, усилителя электрических колебаний, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства. Микрофон прикладывают к разным точкам грудной клетки над областью сердца. После усиления и фильтрации электрические колебания поступают на различные каналы регистрации, что позволяет избирательно фиксировать низкие, средние и высокие частоты. Запись ФКГ производят в звукоизолированном помещении при задержке дыхания на выдохе (при необходимости – на высоте вдоха) в положении лёжа, после отдыха исследуемого в течение 5 мин. На ФКГ прямая (изоакустическая) линия отражает систолические и диастолические паузы. Нормальный 1-й тон (см. рис.) состоит из 3 групп осцилляций: начальной (низкочастотной), обусловленной сокращением мышц желудочков; центральной (большей амплитуды), обусловленной закрытием митрального и трикуспидальнего клапанов; конечной (малой амплитуды), связанной с открытием клапанов аорты и лёгочной артерии и колебаниями стенок крупных сосудов. 2-й тон состоит из 2 групп осцилляций: первая (большая по амплитуде) обусловлена закрытием аортальных клапанов, вторая связана с закрытием клапанов лёгочной артерии. Нормальные 3-й (связан с мышечными колебаниями при быстром наполнении желудочков) и 4-й (встречается реже, обусловлен сокращением предсердий) тоны определяются преимущественно у детей и у спортсменов. Характерные изменения ФКГ (ослабление, усиление или расщепление 1-го и 2-го тонов, появление патологических 3-го и 4-го тонов, систолических и диастолических шумов) помогают распознавать пороки сердца и некоторые др. заболевания.\
17) Нервные волокна — аксоны нервных клеток. Нервные волокна подразделяют на 2 типа — безмиелиновые и миелиновые. Основная функция нервных волокон — проведение Потенциала Действия.
Потенциа́л де́йствия — волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд — быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.
НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС- волна возбуждения, к-рая распространяется по нервному волокну и служит для передачи информации от периферич. рецепторных (чувствительных) окончаний к нервным центрам, внутри центр. нервной системы и от неё к исполнительным аппаратам - мышцам и железам. Прохождение Н. и. сопровождается переходными электрич. процессами, к-рые можно зарегистрировать как внеклеточными, так и внутриклеточными электро
18) Ультразвук - колебания и волны в упругих средах г частотой, превышающей верхнюю границу слышимого звука.
Но своей природе ультразвуковые волны не отличаются от звуковых, а также инфразвуковых волн, имеющих частоту ниже нижней границы слышимого звука.
Интенсивность ультразвука, применяемого для медицинской диагностики и физиотерапии. Дозы ультразвука, получаемые пациентами при диагностических исследованиях, практически не оказывают никакого действия на организм пациента, а терапевтические дозы дают лечебный эффект. Фокусированный ультразвук и направленный ультразвук большой интенсивности вызывают локальное разрушение отдельных участков живой ткани. Такой ультразвук используется при хирургических вмешательствах.
19) Термодинамический процесс — переход термодинамической системы из одного состояния в другое, который всегда связан с нарушением равновесия системы.
Процесс называют обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточные состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. Скорость установления равновесия должна быть больше, чем скорость рассматриваемого процесса. Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называют необратимым.
Необратимые процессы могут протекать самопроизвольно только в одном направлении; таковы диффузия, теплопроводность, вязкое течение и др.
20) Тело человека является источником теплового акустического излучения. Эта важная его характеристика может быть использована для диагностики и терапии, например, при гипертермии в онкологии. Чтобы произвести измерение температуры не в одной или нескольких отдельных точках организма, а получить распределение температуры внутри него, необходимо использовать принципы томографии, т.е. произвести измерения интенсивности теплового излучения, выходящего из тела в разных точках и под разными углами, а затем решить обратную математическую задачу. Теплови́зор — устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет.
21)Инфразву́к (от лат. infra — ниже, под) — упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16—25 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0,001 Гц.
Природа возникновения инфразвуковых колебаний такая же, как и у слышимого звука, поэтому инфразвук подчиняется тем же закономерностям, и для его описания используется такой же математический аппарат, как и для обычного слышимого звука (кроме понятий, связанных с уровнем звука). Инфразвук слабо поглощается средой, поэтому может распространяться на значительные расстояния от источника. Из-за очень большой длины волны ярко выражена дифракция.
Возникает при землетрясениях, во время бурь и ураганов, цунами.
Техногенные источникик основным техногенным источникам инфразвука относится мощное оборудование — станки, котельные, транспорт, подводные и подземные взрывы. Кроме того, инфразвук излучают ветряные электростанции и, в некоторых случаях, вентиляционные шахты.
Вибрация (лат. Vibratio — колебание, дрожание) — механические колебания. Вибрацией называют механические ритмичные колебания упругих тел. Чаще всего под вибрацией понимают нежелательные колебания.
Распространяется вибрация вследствие передачи энергии колебаний от колеблющихся частиц к соседним частицам. Эта энергия в любой момент пропорциональна квадрату скорости колебательного движения, поэтому по величине последней можно судить об интенсивности вибрации, т. е. о потоке вибрационной энергии. Поскольку скорости колебательного движения изменяются во времени от нуля до максимума, для их оценки используют не мгновенные максимальные значения, а среднеквадратичную величину за период колебания или измерения.
22)Внутренняя энергия термодинамической системы включает в себя энергию микроскопического движения и взаимодействия частиц системы, а так же их внутримолекулярную и внутриядерную энергии.
если любые макроскопические движения в системе и взаимодействия её с внешними телами отсутствуют, можно принять "макроскопические" составляющие кинетической и потенциальной энергий равными нулю и считать внутреннюю энергию системы равной её полной энергии. Такая ситуация имеет место в случае, когда система находится в состоянии термодинамического равновесия.
характеристика состояния термодинамического равновесия - температура. Так называется величина, зависящая от параметров состояния, например, от давления и объёма газа, и являющаяся функцией внутренней энергии системы. Эта функция обычно имеет монотонную зависимость от внутренней энергии системы, то есть растёт с ростом внутренней энергии.
Температура термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия, обладает следующими свойствами:
Если две равновесные термодинамические системы, находятся в тепловом контакте и имеют одинаковую температуру, то совокупная термодинамическая система находится в состоянии термодинамического равновесия при той же температуре.
Если какая-либо равновесная термодинамическая система имеет одну и ту же температуру с двумя другими системами, то эти три системы находятся в термодинамическом равновесии при одной и той же температуре.
Таким образом, температура есть мера состояния термодинамического равновесия. Для установления этой меры уместно ввести понятие теплопередачи.
Теплопередачей называется передача энергии от одного тела к другому без переноса вещества и совершения механической работы.
Если между телами, находящимися в тепловом контакте друг с другом, теплопередача отсутствует, то тела имеют одинаковые температуры и находятся в состоянии термодинамического равновесия друг с другом.
Для возникновения процесса теплопередачи необходимо создание потоков теплоты, то есть требуется выход из состояния теплового равновесия. если одна термодинамическая система обладает более высокой температурой, чем другая, то она не обязательно будет обладать и большей внутренней энергией, несмотря
23)Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела ( атомами, молекулами, электронами и т.п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.
Численная характеристика теплопроводности материала равна количеству теплоты, проходящей через материал площадью 1 кв.м за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте. Данная численная характеристика используется для расчета теплопроводности для калибрования и охлаждения профильных изделий.
.Связь с электропроводностью
Связь коэффициента теплопроводности K с удельной электрической проводимостью в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:
где k — постоянная Больцмана, e — заряд электрона.
24) Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. Все живое, начиная с клетки функционирует согласно первому началу термодинамики, любой синтез, как свершаемая работа происходит за счет поступления либо энергии внешнего источника(например теплоты) либо за счет затрат накопленной внутренней энергии (например АТФ).
При сообщении термодинамической системе некоторого количества теплоты Q в общем случае происходит изменение внутренней энергии системы DU и система совершает работу А:
| Q = U + A |
Первое начало термодинамики:
§ при изобарном процессе
Q = дельтаU + A = дельтаU +pдельтаV
§ при изохорном процессе (А=0)
Q = дельтаU= m/MCv дельтаT
§ при изотермическом процессе U=0
Q=A=m/MRT * lnV2/V1
Механические свойства биологических тканей
Рассмотрим важнейшие механические свойства биологических тканей, благодаря которым осуществляются разнообразные механические явления
– такие, как функционирование опорно-двигательного аппарата, процессы деформаций тканей и клеток, распространение волн упругой деформации, сокращения и расслабление мышц, движение жидких и газообразных биологических сред. Среди этих свойств выделяют:
– упругость – способность тел возобновлять размеры (форму или объем) после снятие нагрузок;
– жесткость – способность материала противодействовать внешней нагрузкой; эластичность – способность материала изменять размеры под действием внешних нагрузок;
– прочность – способность тел противодействовать разрушению под действием внешних сил;
– пластичность – способность тел хранить (полностью или частично) изменение размеров после снятия нагрузок;
– хрупкость – способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций;
– вязкость – динамическое свойство, которое характеризует способность тела противодействовать изменению его формы при действии тангенциальных напряжений;
– текучесть – динамическое свойство среды, которое характеризует
способность отдельных его слоев перемещаться с некоторой скоростью в пространстве относительно других слоев этой среды. .
26)Энтропи́я (от др.-греч. ἐντροπία - поворот, превращение) — в естественных науках мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.
Термодинами́ческие потенциа́лы (термодинамические функции) — характеристические функции в термодинамике, убыль которых в равновесных процессах, протекающих при постоянстве значений соответствующих независимых параметров, равна полезной внешней работе.
Выделяют следующие термодинамические потенциалы:
§ внутренняя энергия
§ энтальпия
§ свободная энергия Гельмгольца
§ потенциал Гиббса
§ большой термодинамический потенциал
Обмен веществ и энергии
совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. В обмене веществ, или метаболизме, обеспеченном сложнейшей регуляцией на разных уровнях, участвует множество ферментных систем. В процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. При этих превращениях освобождается и поглощается энергия.
Клеточный метаболизм выполняет четыре основные специфические функции: извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию макроэргических (высокоэргических) соединений в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки; образование из экзогенных веществ (или получение в готовом виде) промежуточных соединений, являющихся предшественниками высокомолекулярных компонентов клетки; синтез белков (Белки), нуклеиновых кислот (Нуклеиновые кислоты), углеводов (Углеводы), липидов (Липиды) и других клеточных компонентов из этих предшественников; синтез и разрушение специальных биомолекул, образование и распад которых связаны с выполнением специфических функций данной клетки.
29.ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ раздел биофизики, рассматривающий общие закономерности превращений энергии, их связь с обменом и транспортом веществ, а также проблемы устойчивости и эволюции биол. систем. Открытая система - это система, которая обменивается и энергией , и веществом , и информацией . К наиболее важному типу открытых систем относятся химические системы, в которых непрерывно протекают химические реакции, происходит поступление реагирующих веществ извне, а продукты реакций отводятся. Биологические системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые химические системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, физической и химической кинетики.
30.Направление спонтанных процессов в изолированных системах характеризуется параметром состояния, который называется энтропией (из греч."преобразование"). Изменение энтропии системы dS определяется отношением теплоты dQ, введённой в систему или выведенного из системы, к абсолютной температуре T системы, при которой этот процесс происходит: dS = dQ/T(2)
Энтропия изолированной системы возрастает, если система стремится в состояние равновесия, и достигает своей максимальной величины в этом состоянии. Энтропия возрастает во всех реальных термодинамических процессах.
Энтропия системы имеет тесное отношение к показателю упорядоченности или беспорядка составляющих системы. Согласно принципу Больцмана, энтропия системы S в данном состоянии пропорциональна термодинамической вероятности W этого состояния:
S = k ln W (3), где k - константа Больцмана.
Термодинамическая вероятность является числом микросостояний системы, посредством которых реализуется данное макросостояние системы. Чем больше возможно микросостояний (вариантов расположения частиц), тем более неупорядочена система, тем больше - величины W и S.
Каждая система стремится к переходу из менее вероятного высокоупорядоченного состояния в статистически более вероятные состояния, характеризующиеся беспорядочным расположением молекул. Можно сказать, что каждая система характеризуется тенденцией самопроизвольного перехода к состоянию максимального молекулярного беспорядка или хаоса.
31. Биологической мембраной называют функциональную структуру клетки, которая ограничивает большинство внутриклеточных структур. Толщина менее 10 нм, состоит на 75% из белков и липидов.
В рамках модели принято, что белки могут «плавать» по поверхности мембраны в виде отдельных глобулярных молекул или частиц, частично или полностью погружаясь в липидный слой. Липиды и белки могут обмениваться местами и осуществлять латеральную диффузию. Исследования показали, что мембраны ведут себя подобно воде. Вязкость липидного слоя примерно больше в 100 раз, чем у воды.
Наиболее изученной мембраной является наружная мембрана клетки, или плазмалемма. Мембраны состоят из липидов, белков и углеводов. Липиды в мембране лежат в два слоя. Внутри мембраны находятся гидрофобные части молекулы («хвосты»), а снаружи — гидрофильные («головки»). С липидами мембраны связаны белки. Часть белков погружена в мембрану. Такие белки называют интегральными или трансмембранными. Другие белки лежат на мембране. Их называют периферическими белками. Углеводы мембраны связаны с липидами и белками.
Физические св-ва: 1) упругие – в кристаллической фазе моделируются с помощью пружины; в жидкой – с помощью первой модели Максвелла;
2) электрические – электроемкость 2-ого липидного слоя примерно 1 Ф на 1 квадратный мм;
3)резистивные св-ва объясняются способностью пропускать ионы.
32. Постулат И.Р. Пригожина состоит в том, что общее изменение энтропии dS открытой системы может происходить независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой (deS ), либо вследствие внутренних необратимых процессов (diS ):dS = deS + diS.
Во всех реальных случаях diS > 0, и только если внутренние процессы идут обратимо и равновесно, то diS = 0. Для изолированных систем deS = 0, и мы приходим к классической формулировке второго закона: dS = diS = 0.
В клеточном метаболизме всегда можно выделить такие две группы процессов. Например, поступление извне глюкозы, выделение наружу продуктов ее окисления (deS) и окисление глюкозы в процессах дыхания (diS).
33. В настоящее время наибольшее распространение имеет предложенная в 1972г. Синджером и Николсоном жидко-мозаичная модель, в основе которой лежит липидная бислойная мембрана.
Наибольшее распространение получили три модели (искусственные модели).
1) Монослой липидов на границе раздела вода-воздух или вода-масло. На таких границах молекулы липидов расположены так, что гидрофильные головки находятся в воде, а гидрофобные хвосты – в воздухе или масле.
2) Широко использующаяся модель – бислойная липидна мембрана (БЛМ). Впервые создана в 1962г. Мюллером с сотрудниками. Они заполнили отверстие в тефлоновой перегородке, разделяющей два водных раствора, фосфолипидом, растворенным в гептане. После того как растворитель и излишки липида растекаются по тефлону, в отверстии образуется бислой толщиной несколько нм и диаметром около 1 мм. Расположив по обе стороны мембраны два электрода, можно измерить сопротивление мембраны или генерируемый на ней потенциал.
3) Липосомы представляют собой мельчайшие пузырьки (везикулы), состоящие из билипидной мембраны и полученные обработкой ультразвуком смеси воды и фосфолипидов. Липосомы фактически являются биологической мембраной, лишенной белковых молекул.
Применение в медицине.
С помощью липосом изучают воздействие на мембраны витаминов, гормонов, антибиотиков и других препаратов. Для ядовитых препаратов важным является точная их доставка к больному органу или ткани, минуя остальные части организма. Липосомы успешно используются, как носители лекарств, поскольку:
§ по химическому составу липосомы сходны с природными мембранами клеток;
§ липосомы универсальны, что позволяет переносить широкий спектр медицинских химических препаратов;
§ не вызывают аллергических реакций.
Липосомы широко применяются в экспериментальной онкологии. Однако есть ряд трудностей использования липосом в медицине. Во-первых, липосомы поглощаются клеткамиретикуло-эндотелиальной системы, причём большее их количество находится в печени, селезенке, костном мозге, лимфатических узлах и кровотоке. Поэтому доставка лекарственных препаратов с помощью липосом в другие органы и части организма является более сложной задачей. Во-вторых, липопротеины, обмениваясь с липосомами липидами, способствуют разрушению липосом и вытеканию наружу их содержимого. Также стоит задача увеличения сроков хранения липосом после их приготовления.
34. Критерий устойчивости станционарного состояния: если система находится в станционарном состоянии вблизи, она не может самопроизвольно выйти из него за счет внутренних изменений. Если в результате пунктуации система незначительно уходит от станционарного состояния, то в ней должны произойти такие внутренние изменения, которые возвратят ее в исходное состояние.
35. Диффузия –перенос массы вещества. Процесс переноса в жидкостях: пусть через некоторую площадку во всех направлениях перемещаются молекулы жидкости. Можно сказать, что молекулы пересекают площадку, перескакивая из одного положения равновесия в другое. В отличие от газов, в жидкостях отсутствует понятие длины свободного пробега. Это связано с тем, что в жидкостях среднее расстояние между молекулами такого же порядка, как и размеры самих молекул. Молекулы жидкости могут совершать лишь малые колебания в пределах, ограниченных межмолекулярными расстояниями. Такие колебания молекул время от времени сменяются скачками на некоторое расстояние d, происходящими из-за получения молекулой в результате флуктуации избыточной энергии от соседних молекул. Колебания, сменяющиеся скачками, – и есть тепловые движения молекул жидкости.
Для явления диффузии в жидкости справедлив закон Фика. Он гласит:
I= -DdQ\dX
где I – диффузионный поток в направлении оси X, D – коэффициент диффузии, а dQ\dX - градиент концентрации по оси X.
Процессы диффузии имеют большое значение в природе:
§ Питание, дыхание животных и растений;
§ Проникновение кислорода из крови в ткани человека.
36.Если в открытой системе вблизи равновесия протекают одновременно несколько процессов, то между ними существуют термодинамические соотношения, отражающие их взаимное влияние. Для двух процессов (J1 , X1) и (J2 , X2) эти соотношения имеют вид
§ J1 = L11X1 + L12X2 ,
§ J2 = L21X1 + L22X2 ,
где постоянные коэффициенты L11 , L22 отражают зависимость потока от своей силы, а коэффициенты L12 , L21 соответствуют взаимному влиянию силы одного процесса на поток другого процесса. Они носят название коэффициентов взаимности Онзагера. Применение уравнений Онзагера позволяет получить характеристики макромолекулярных комплексов – биологических трансформаторов энергии, не прибегая к детальному анализу механизмов их функционирования. В митохондриях может достигать значений 80-90%
37. Если диффузия осуществляется через мембрану, уравнение (2) может быть представлено как J = -P · (C1 - C2) (4),
где C1 и C2 - концентрация раствора внутри и вне клетки, P - коэффициент проницаемости мембраны для данного вещества. Коэффициент проницаемости определяется коэффициентом диффузии D вещества, толщиной мембраны d и коэффициентом распределения вещества K, зависящим от растворимости вещества в органических растворителях, но не воде.
P = Dk/d (5)
Проницаемость мембраны для неэлектролитов существенно зависит от их способности растворяться в билипидном слое мембраны. гидрофильные вещества как сахара, аминокислоты не способны проникать через биологическую мембрану посредством свободной диффузии. Для этого требуются специальные системы транспорта (смотри ниже).
Проницаемость мембраны зависит также от размера молекул. Мелкие молекулы могут проникать через мембрану путём свободной диффузии. Например, вода не растворима в липидах и органических растворителях. Но она проникает через плазматическую мембрану благодаря небольшому размеру молекул.