Биофизика клетки методические указания

Осмос – пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану.

Простая диффузия проходит путем перемещения частиц веществ сквозь липидный бислой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам биомембраны. В ходе простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O2, N2, бензол) и полярные небольшие молекулы (CO2, H2O, мочевина). Путем простой диффузии не могут проникать полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Гемолиз – разрушение оболочки эритроцитов, сопровождающееся выходом Hb в плазму (лаковая кровь).

Виды гемолиза. Механический гемолиз (in vivo при разможжении тканей, in vitro при встряхивании крови в пробирке). Термический (in vivo при ожогах, in vitro при замораживании и оттаивании или нагревании крови).

Химический гемолиз (in vivo под влиянием химических веществ, при вдыхании паров летучих веществ (ацетон, бензол, эфир, дихлорэтан, хлороформ), растворяющих оболочку эритроцитов, in vitro под влиянием кислот, щелочей, тяжелых металлов и др.).

Электрический гемолиз (in vivo при поражении электрическим током, in vitro при пропускании электрического тока через кровь в пробирке). На аноде (+) гемолиз кислотный, на катоде (–) – щелочной.

Биологический гемолиз проходит под влиянием факторов биологического происхождения (гемолизины, яд змей, грибной яд, простейшие (молярийный плазмодий).

Осмотический гемолиз осуществляется в гипотонических растворах, у человека он начинается в 0,48% растворе NaCl, а в 0,32% происходит полный гемолиз эритроцитов.

Осмотическая резистентность эритроцитов (ОРЭ) – устойчивость их в гипотонических растворах. Различают минимальную и максимальную ОРЭ.

Минимальнальная ОРЭ – концентрация раствора NaCl, при которой начинается гемолиз (0,48-0,46%). Гемолизируются менее устойчивые эритроциты.

Максимальная ОРЭ – концентрация раствора NaCl, в котором гемолизируются все эритроциты (0,34-0,32%).

Осмотическая резистентность эритроцитов зависит от степени их зрелости и формы. Молодые формы эритроцитов, поступающие из костного мозга в кровь, наиболее устойчивы к гипотонии.

21

Иммунный гемолиз – при переливании несовместимой крови или при наличии иммунных антител к эритроцитам.

Физиологический – гемолиз эритроцитов, закончивших свой срок жизни (в печени, селезенке, красном костном мозге).

Задание 1. Проанализировать виды и особенности прохождения пассивного транспорта веществ.

Задание 2. Проанализировать виды и условия гемолиза эритроцитов.

Контрольные вопросы

1.Определение пассивного транспорта веществ.

2.Виды пассивного транспорта веществ.

3.Что представляют собой осмос и простая диффузия?

4.Определение гемолиза эритроцитов и осмотическая резистентность эритроцитов.

5.Виды гемолиза эритроцитов.

Занятие 12. Изучение механизма формирования ЭКГ

Цель занятия. Изучить механизм формирования электрокардиограммы.

Механизм формирования ЭКГ человека (по теории Эйнтховена) − механизм возникновения разности потенциалов на поверхности грудной клетки человека в результате электрической активности сердца и процессы формирования электрокардиограммы в трех отведениях Эйнтховена.

Биопотенциалы, возникая и распространяясь в отдельных органах, создают в них переменные электрические поля, следовательно, и переменные разности потенциалов между различными точками поверхности органа. Регистрация изменения разности потенциалов различных органов и анализ этих изменений являются одной из важных задач теоретической и клинической медицины. Изучение генеза ЭКГ по теории Эйнтховена на лабораторной модели позволяет глубже понять процесс формирования ЭКГ и причин отклонения ЭКГ от нормальной формы, что способствует овладению разделами клинической электрокардиологии.

Биопотенциалы и методы их измерения. Биопотенциалами называется разность потенциалов между внутриклеточной и внешней

22

средой, разделенных биологической мембраной. Биопотенциалы подразделяются на стационарные − потенциалы покоя и быстро меняющиеся − потенциалы действия.

Потенциал покоя − это стационарная разность электрических потенциалов, определяемая трансмембранной диффузией ионов. Ее регистрируют с помощью внутриклеточных микроэлектродов у всех живых клеток. Основными носителями тока при генерации потенциала покоя являются неорганические ионы, из которых важнейшую роль играют К+, Na+, Ca+. Потенциал действия. Потенциалом действия кардиомиоцита называют электрический импульс, обусловленный диффузией неорганических ионов через возбужденную мышечную мембрану. Длительность импульса − 250 мс.

Разность потенциалов между точками на поверхности тела (например, между правой и левой рукой) пропорциональна проекции вектора на линию, соединяющую точки съема ЭКГ. Левая рука, правая рука и левая нога образуют, так называемый треугольник Эйнтховена и являются стандартными точками съема ЭКГ.

В ходе распространения возбуждения миокард сердца становится источником электрического тока, который проводится в окружающие ткани. Слабые токи проводяться и на поверхность тела. При размещении электродов на коже в точках, расположенных по обе стороны от сердца, можно зарегистрировать разность потенциалов, связанную с проведением сердечного импульса, и таким образом провести электрокардиограмму. Нормальная электрокардиограмма состоит из зубца Р, комплекса зубцов QRS и зубца T. В свою очередь комплекс QRS состоит из отдельных зубцов Q, R и S. Зубец Р возникает при деполяризации предсердий, предшествующей их сокращению. Комплекс QRS связан с распространением волны деполяризации в миокарде желудочков,

происходящим перед их сокращением. В итоге, зубец Р и зубцы QRS являются отражением процессов деполяризации в сердце. Зубец T возникает после деполяризации, во время восстановления потенциала покоя кардиомиоцитов желудочков. Данный процесс продолжается от 0,25 до 0,35 с после деполяризации. В результате зубец T является отражением процессов реполяризации в миокарде желудочков. Таким образом, зубцы электрокардиограммы характеризуют как процесс деполяризации, так и процесс реполяризации, происходящие в сердце.

Задание 1. Проанализировать теорию Эйнтховена. Задание 2. Проанализировать зубцы электрокардиограммы.

23

Контрольные вопросы

1.Что характеризует потенциал покоя?

2.Что характеризует потенциал действия?

3.Что представляет собой треугольник Эйнтховена?

4.Деполяризация и реполяризация в механизме ЭКГ.

5.Механизм формирования ЭКГ.

Занятие 13. Моделирование кинетики кровотока в эластичном сосуде. Резистивная модель гемодинамики

при изменении просвета сосудов

Цель занятия. Изучить кинетику кровотока в сосуде и резистивную модель гемодинамики при изменении просвета сосудов.

Биофизика системы кровообращения. С целью описания процессов, происходящих в системе кровообращения, используются методы физического, аналогового и математического моделирования.

Гемодинамические показатели кровотока определяются собственными характеристиками сердечной деятельности (в частности, ударным объемом крови), структурными особенностями сосудов (их радиусом и эластичностью) и свойствами самой крови (вязкостью).

Вязкость (внутреннее трение) жидкости − свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой. Вязкость жидкости обусловлена, межмолекулярным взаимодействием.

Кровь − неиьютоновская жидкость, т.к. она обладает внутренней структурой, где 93% форменных элементов составляют эритроциты, и при упрощенном рассмотрении кровь − это суспензия эритроцитов в физиологическом растворе. Характерным свойством эритроцитов является тенденция к образованию агрегатов. Условия образования агрегатов (монетных столбиков) различны в крупных и мелких сосудах. Это связано в первую очередь с соотношением размеров сосуда, агрегата и эритроцита.

Вкровотоке с уменьшением просвета сосуда вязкость возрастает

в10-100 раз. В микрососудах эритроциты легко деформируются и проходят, не разрушаясь, через капилляры даже диаметром 3 мкм. При этом они сильно деформируются, становясь похожими на купол. В итоге поверхность соприкосновении эритроцита со стенкой капилляра увеличивается по сравнению с недеформированным эритроцитом, способствуя обменным процессам.

24

В результате, внутренняя структура крови, а следовательно и ее вязкость, оказывается неодинаковой в зависимости от условий течения вдоль кровеносного русла, поэтому кровь − неньютоновская жидкость.

Основные положения гемодинамики. Гемодинамика − один из разделов биомеханики, изучающий законы движения крови по кровеносным сосудам. Задача гемодинамики − установить взаимосвязь между основными гемодинамическими показателями, а также их зависимость от физических параметров крови и кровеносных сосудов. К основным гемодинамическим показателям относятся давление и скорость кровотока. Давление − это сила, действующая со стороны крови на сосуды, приходящаяся на единицу площади. Скорость кровотока: различают объемную и линейную. Объемной скоростью называют объем жидкости, протекающей в единицу времени через данное сечение кровеносного сосуда. Линейная скорость представляет собой путь, проходимый элементами крови в единицу времени.

Резистивной моделью гемодинамики при изменении параметров сосудистой системы является модель Франка. В 1899 г. немецкий физиолог О. Франк теоретически развил идею о том, что артерии «запасают» кровь во время систолы и выталкивают ее в мелкие сосуды во время диастолы. Модель Франка учитывает гидравлическое сопротивление и эластичность сосуда. Резистивная модель Франка рассматривает следующие изменения гемодинамических показателей: сужение просвета крупного сосуда; сужение просвета сосуда, например, образование тромба, в одном из мелких сосудов разветвленного отдела кровеносной системы; изменение вязкости крови.

Задание 1. Проанализировать основы кинетики кровотока в эластичном сосуде.

Задание 2. Проанализировать изменения гемодинамических показателей резистивной модели Франка.

Контрольные вопросы

1.Гемодинамические показатели крови.

2.Что представляет собой вязкость жидкости?

3.Определение и задачи гемодинамики.

4.Давление и скорость кровотока.

5.Резистивная модельь гемодинамики при изменении параметров сосудистой системы.

25

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Алексеева, Н.В. Практикум по биофизике. В 2 ч. Ч. 1 / Н.В. Алексеева, ред.: А.Б. Рубин. − М. : Лаборатория знаний, 2016. − 195 с.

2.Башарина, О.В. Биофизик] / О.В. Башарина, В.Г. Артюхов. – Воронеж : ИПЦ Воронежского государственного университета,

2009. − 61 с.

3.Клецкий, А.В. Лабораторный практикум по термодинамике : учебное пособие / А.В. Клецкий [и др.]; под ред. О.Б. Цветкова, В.В. Митропова. – Санкт-Петербург : НИУ ИТМО, 2016. – 89с.

4.Никиян, А. Н. Биофизика : конспект лекций / О. К. Давыдова, А. Н. Никиян. − Оренбург : ОГУ, 2013. − 104 с.

5.Рубин, А. Б. Практикум по биофизике. В 2 ч. Ч. 2 / А.М. Абатурова, Т.К. Антал, А.А. Байжуманов, ред.: А.Б. Рубин, ред. Г.В. Максимов, ред.: С.М. Ременников. − М. : Лаборатория знаний, 2017. − 512 с.

6.Струин, В.И. Атомная спектроскопия : учебно-методическое пособие / В.И. Струни, Н.Н. Струина, Б.Т. Байсова. – Омск : ОмГУ,

2013. – 104 с.

7.Сибирцев, В.С. Экспериментальные методы исследования фи- зико-химических систем. Часть 2. Атомная спектроскопия : учебное пособие / В.С. Сибирцев – Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2016. – 44 с.

26

27

Учебное издание

Ермаков Владимир Викторович

Биофизика клетки Методические указания

Отпечатано с готового оригинал-макета Подписано в печать 24.06.2019. Формат 60×84 1/16 Усл. печ. л. 1,63; печ. л. 1,75.

Тираж 50. Заказ № 217.

Редакционно-издательский отдел ФГБОУ ВО Самарского ГАУ 446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2

Тел.: 8 939 754 04 86, доб. 608 E-mail: ssaariz@mail.ru

28