- •Биоэнергетика. Первое начало термодинамики
- •Свободная и связанная энергия
- •Стационарное состояние
- •Квантовомеханические основы биоэнергетики Основные понятия квантовой механики
- •Квантовомеханические особенности строения биомолекул
- •Спектры поглощения сложных молекул
- •Транспорт веществ в организме биомембранология
- •Мембранные белки
- •Подвижность молекулярных компонентов бм
- •Функции биологических мембран
- •Биофизические механизмы транспорта веществ через бм
- •Коэффициент проницаемости бм
- •Свободная диффузия жирорастворимых веществ
- •Транспорт с участием переносчиков
- •Мембранные каналы
- •Компоненты систем активного транспорта
- •Системы активного транспрта ионов
- •Калиево-натриевый насос
- •Механизмы биоэлектрогенеза и его роль в возбуждении
- •Возбудимые и невозбудимые мембраны
- •Рефрактерность
- •Биофизические основы электрокардиографии
- •Этап вдоха.
- •Этап выдоха.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра микроэлектроники
Б И О Ф И З И К А
Курс лекций проф. Вихрова С.П.
по направлению 653900 "Биомедицинская техника"
(Лекции составлены по книге "Медицинская биофизика"/ Под редакцией В.О.Самойлова.
Из-во Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова.
Л. 1986 г.)
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ЗАДАЧИ КУРСА
Предметом биофизики является изучение физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. По природе объектов исследования, биофизика является типичной биологической наукой, а по методам изучения и
анализа результатов исследования является своеобразным разделом физики. Биофизические методы созданы на основе физических и физико-химических методов изучения природы. В этих методах должны сочетаться трудно совместимые качества:
1. Высокая чувствительность.
2. Большая точность.
Этим требованиям не удовлетворяют полностью никакие методы, однако, наиболее широкое применение получили для биофизических исследований следующие методы:
- оптические;
- радиоспектроскопия
- ультразвуковая радиоскопия;
- электронно-парамагнитная резонансная спектроскопия (ЭПР);
- ядерная магнитная резонансная спектроскопия.
Необходимо отметить, что любые исследования требуют, чтобы регистрирующие приборы не вносили искажений в изучаемый процесс, однако, трудно сравнить какую-либо физическую систему с живым организмом по необычайно высокой чувствительности организма к любым воздействиям на него. Воздействия не просто нарушают нормальный ход биологических процессов, а вызывают сложные приспособительные реакции, разнообразные в различных органах и в различных условиях. Искажение смысла измерений может оказаться столь существенным, что становится невозможно вносить поправки в явления, не свойственные изучаемому объекту. При этом, методы коррекции, используемые с успехом в физике и технике, зачастую бесполезны в биофизике.
Для лучшего понимания области применения биофизических методов, рассмотрим основные направления исследований в биофизике:
1) молекулярная и квантовая биофизика изучают физическую структуру и свойства биологически важных молекул, физические процессы, которые обеспечивают их функционирование, а также исследуют термодинамику биологических систем, перенос энергии и заряда по биомолекулам, квантово-механические особенности их строения;
2) биофизика клетки связана с физическими и физико-химическими свойствами клеточных и субклеточных структур, закономерностями их деления, с особенностями их обмена веществ (метаболизмом), а также, с биофизическими механизмами специальных функций клеток;
3) биофизика органов чувств скрывает физические и физико-химические механизмы восприятия раздражителя рецепторами аппарата сенсорных систем человека и животных на квантовом, молекулярном или клеточном уровнях;
4) биофизика сложных систем изучает проблемы межклеточного взаимодействия, передачи информации в биологических каналах связи и управления функциями живых организмов;
5) биофизика внешних воздействий изучает механизмы воздействия на организм физических факторов среды (например, полей).
Биоэнергетика. Первое начало термодинамики
(общие сведения)
Жизненные процессы, при всем многообразии, имеют и общие черты, в частности, любой из процессов требует затрат энергии. В этой связи важным направлением биофизических исследований является изучение преобразования энергии в биологических системах. Процессы энергообеспечения организма за счет внешних энергетических ресурсов, составляют предмет исследования биоэнергетики. В биоэнергетике выделены два подхода:
1) исследуются механизмы энергетических процессов, протекающие в организме на молекулярном и субмолекулярном уровнях;
2) изучаются особенности биологических процессов на основе общих законов превращения энергии, без детального изучения их молекулярных механизмов. Это составляет содержание биологической термодинамики.
В термодинамике объектом исследования служит система, под которой понимают совокупность объектов, ограниченных в той или иной степени от окружающей среды. Различают изолированные системы, которые не обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой и открытые системы, где такой обмен происходит. Живой организм относится к открытой системе.
Состояние любой системы характеризуется некоторыми параметрами. Одни из них не зависят от массы или числа частиц в системе, то есть, от размеров, другие параметры пропорциональны этим аргументам. Первые получили название интенсивных термодинамических параметров, к ним относятся: температура, давление и т. д. Параметры второй группы называются экстенсивными термодинамическими параметрами. Например, это объем, энергия, энтропия и т. д.
Энергию системы можно представить, состоящей из двух частей:
- энергия системы, как целого;
- внутренняя энергии (энергия атома и т. д.).
Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой. Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами: посредством передачи тепла и (или) совершением работы.
- количество тепла;
- работа.
- первое начало термодинамики.
Знак в формуле принимает следующие образы:
-положительным считают то тепло, которое получает система из окружающей среды;
-работу считают положительной, когда система производит ее над окружающими телами.
Рассмотрим некоторые способы совершения работы:
- механическая работа.
- работа при постоянном объеме.
- работа при перемещении заряда и разность потенциалов.
- - осмотическое давление.
- изменение числа молей,
- химический потенциал.
... - величины, вызывающие причины действия работы, интенсивные параметры.
- обобщающая сила, которая вызывает работу;
- обобщающая координата.
, ... - экстенсивные параметры.
,
Количество тепла, получаемое системой, определяется изменением внутренней энергии системы, а также суммой всех видов работы, совершенной системой.