Biofizyka (2),

[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Biofizyka-jest nauką która stosuje charakterystyczną dla fizyki metodologię badań do analizy struktur ukł., zjawisk i procesów biol Zadaniem biofizyki jest specyficzna interpretacja zjawisk życiowych oparta na metodologii wziętej z nauk fiz. Modelem-nazywamy  ukł. fiz. Lub symboliczny odtwarzający właściwości (strukturę, zachowanie się) ukł. rzeczywistego, będące przedmiotem zainteresowania badającego Modele dzielimy na: 1)biol.- bada się ogólnie prawa biol., działanie środków, leków, wpływu czynników fiz. (zwierzęta doświadczalne) 2) fiz.- ukł. zawierające elementy mechaniczne, hydrauliczne, elekt., akustyczne, optyczne itp. Imitujące określone procesy biol. poprzez procesy fiz.  3) analogowe- ukł. rzeczywisty zastępuje się ukł. innego rodzaju, który można opisać trakimi samymi równaniami mat. jak ukł. rzeczywisty Modele mat.- ukł. związków mat., które wiążą ze sobą zmienne dynamiczne parametry ukł. i czas Etapy modelowania: 1. Zebranie dostępnych info. o badanym procesie(obiekcie) 2. Określenie właściwości które model ma odwzorowywać 3. Bud. modelu lub sformułowanie modelu tj. związków między zmiennymi dynamicznymi i czasem 4.Badanie modelu. Analiza polegająca na rozwiązaniu ukł. równań różniczkowych, jakościowej analizie właściwości ukł. dynamicznego 5. Sformułowanie wniosków dotyczących dynamicznych charakterystyk modelu Dynamiką ukł.- nazywamy zachowanie się ukł. w warunkach, gdy zmiana wielkości na jego wejściu powoduje zmianę wielkości na wyjściu w czasie Do najczęściej stosowanych charakterystyk dynamicznych ukł. liniowych należą: 1) czasowe, czyli zarejestrowane odp. ukł. na pobudzenie skokowe lub impulsowe 2) częstotliwościowe: a) amplitudowa- ile razy w ciągu czasu się pojawi odp. b) fazowa- jaki przyłożymy bodziec i jakie jest przesunięcie wobec tego bodźca Właściwości sprężyste ciał stałych: W wyniku przyłożenia odpowiednich sił zew. każde ciało ulega odkształceniu, zmieniając swoją objętość lub kształt (odkształcenia sprężyste i niesprężyste).  Zew. siłą odkształcającym przeciwstawiają się siły międzycząsteczkowe przeważnie w postaci elektrostatycznych sił przyciągania (gdy ciało jest rozciągane) lub odpychania (gdy ciało jest ściskane).  Tkanki organizmów żywych (ścięgna, kości, naczynia krwionośne) swoją sprężystość zawdzięczają głównie kolagenowi Prawo Hooke`a : Odkształcenie sprężyste ∆x jest proporcjonalne do siły F odkształcającej ∆x=k*F   k-współczynnik proporcjonalności zależy od sposobu odkształcenia, rodzaju ciała i temp.    Odkształcenie ciała spowodowane działaniem siły zew. wywołuje w nim naprężenie wew. p     Naprężenie p wyróżniamy stosunkiem siły F do  powierzchni s, na która ona działa p=F/s  Rodzaje odkształceń sprężystych: 1)objętościowe p=k*  k- moduł sprężystości 2)odkształcenie postaci τ=G*γ, naprężenie ścinające- τ=     G-moduł sprężystości postaciowej 3)rozciąganie p=E* E-mo0duł Younga, -wydłużenie względne Do względnych zjawisk związanych z odkształceniem należy zjawisko tzw. zmęczenia materiałowego:- zachodzi ono wówczas, gdy elem. materiału, np. tkanka kostna poddane są powtarzającym się zmiennym obciążeniom –wynikiem zmęczenia materiałowego jest zmniejszenie jego wytrzymałości – zmęczeni materiałowemu kości i tkanek towarzyszą mikrourazy i mikropęknięcia, które kumulując się doprowadzają do częściowego lub nawet całkowitego złamania –z tego rodzaju zjawiskami spotykamy się u sportowców, żołnierzy Dostosowanie biernego ukł. ruchu do przenoszenia obciążeń mechanicznych: wynika to z prawa Wolfa mówiącego, że struktura trabekularna (beleczkowa) tkanki kostnej w warunkach równowagi dostosowuje się do kierunków naprężeń głównych Pojęcie plazmatycznej błony- wprowadził C. Nagϋli w 1885r. błony kom. otaczają kom. roślinne, zwierzęce, bakteryjne oraz organelle kom. (cytoplazma, rybosomy itp.) Istnieją błony tkankowe złożone z wyspecjalizowanych kom. (przepina jelitowa, błony nerek itp.) dzięki specyficznym właściwością fizyko-chemicznym i strukturalnym błony spełniają szereg ważnych funkcji w org. Główne funkcje błon kom.: 1. Zapewnienie stałości składu środowiska wew.kom. 2.selektywna wymiana subst. (potencjały spoczynkowe i czynnościowe) 3.stanowią matryce strukturalne umożliwiające ustawienie enzymów katalizujących reakcje (błony mitochondriów- przemiany ener., chloroplasty-fotosynteza) 4.odpowiadają za percepcję bodźców (markery, bodźce hormonalne w kom. wyspecjalizowanych innych bodźców) Metody służące do izolacji błon kom.: 1.Izolacja błon kom. erytrocytów przez hemolizę (obserwacja tzw. cieni) 2.rozerwanie błony ultradźwiękami 3.fiotacja cytoplazmy 4.wirowanie Badania chem. Składu izolowanych błon kom. i organelli wykazują na dominujący udział: lipidów (ok.60% suchej masy) białek (ok.40% suchej masy) Mielina zawiera: 18% białek 76% lipidów Wew. błona mitochondriów: 76% białek 24% lipidów Do lipidów zalicza się: woski, tłuszcze, fosfolipidy, glikolipidy Lipidy-są nierozpuszczalne lub trudno rozpuszczalne w wodzie. Oznacza to, że posiadają właściwości hydrofobowe Niektóre lipidy- posiadają gr. polarne- estrowe, fosforowe, aminowe, wodorotlenowe. Takie lipidy posiadają oprócz właściwości hydrofobowych także właściwości hydrofilowe Fosfolipidy-są to pochodne glicerolu Lipidy-są to subst. amfifilne (dwojaki sposób wiązania się z wodą) Lipidy-mają zdolność do samoorganizacji czyli, że tworzą jakieś struktury (najprostsza warstwa na pow. Wody czyli warstwa molekularna), obniżają również napięcie pow. wody Ciśnienie pow.: Jest to wartość stosunku wypadkowej siły F z jaką działają molekuły warstwy na ścianki naczynia ukł. l  σp =  Istnieje formalny związek pomiędzy ciśnieniem pow. i napięciem pow. σp=σ wody –σ wody+fosfolipidy sposób spontanicznej agregacji lipidów zależy od wielu czynników Micelle- tworzą lipidy z 1 łańcuchem wodorotlenowym Liposomy-powstają przy odpowiednim stężeniu lipidów w wyniku naświetlenia roztworu ultradźwiękami lub wstrząsaniu Lipidy agregują- w warstwie dwumolekularnej, gdy w roztworze na jedną molekułę lipidów przypada mniej niż 5,5*109 molekuły wody Przepuszczalność: Jest to współczynnik dyfuzji dzielony przez gr. błony P=D/∆x(m*s-1) Błony biol. – w składzie suchej masy zawierają białka (ok.40%), które w znacznym stopniu modyfikują właściwości błon biol. Obecnie poglądy na bud. błony kom. wynika z różnych eksperymentów i spekulacji, a pochodzi od Singera i Nicolsona. Założenia tego modelu są następujące: -szkielet błony stanowi bimolekularną warstwę lipidową –białka zarówno strukturalne (integralne-w błonie występują białka w konferencji α-helisy) jaki i peryferyczne –ukł. jest dynamiczny (płynna mozaika) Istnieje kilka sposobów wiązania białka z pow. błony: -oddziałowywanie elektrostatyczne z główkami lipidów –oddziałowywanie z białkiem integralnym lub tzw. oscylacja białka Cechy bud. błony kom.: płynność- polega na tym, że wszystkie składniki błony poruszają się , asymetryczność-polega na tym , że str. cytoplazmatyczna błony ma z reguły inny skład  niż str. kontaktująca się z otoczeniem , heterogenność (niejednorodność)- w rozkładzie składników w płaszczyźnie błony, umożliwia specjalizację różnych rejonów błony Transport przez błonę: Hydrofobowe wnętrze błony kom. tworzy barierę ograniczając swobodne przemieszczanie się cząsteczek do wew. i zew. kom. Funkcjonowanie tej bariery jest kluczowe w utrzymaniu przez kom. subst. Ważnych do  jej życia w określonych stężeniach Aby błona kom. spełniała swoją rolę musi istnieć: -możliwość wnikania subst. – sposób regulacji stężeń subst. O przepuszczalności błony decyduje: -struktura błony –właściwości elekt. Dyfundujących cząsteczek oraz ich rozmiary Klasyfikacja procesów transportu w ukł. biol.: Transport subst. wymaga czynnika wymuszającego przepływ bodźców termodynamicznych: -różnicy stężeń subst. po obu str. błony ∆c – różnicy potencjału elekt. wew. i na zew. błony kom. ∆V – różnicy ciśnień hydrostatycznych ∆p – różnicy ciśnień osmotycznych ∆π Gradient-odniesienie różnicy (∆c, ∆V, ∆p, ∆π) do gr. (∆x) bariery (błony kom.) Transport bierny- jeżeli transport odbywa się zgodnie z istniejącymi bodźcami, bez nakładu energii Transport przez błonę może odbywać się na 2 sposoby: Dyfuzja prosta-gdy błona kom. rozdziela 2 obszary o różnym stężeniu subst., dla której jest ona przepuszczalna a transport nie wymaga istnienia wyspecjalizowanych białek transportujących. Dyfuzja ułatwiona- transport za pośrednictwem białek tworzących pary (kanały jonowe). Jednak liczba pośredniczących białek jest ograniczona i przy dostatecznie dużym stężeniu przenoszonej subst. Jej strumień ulega nasyceniu przyjmując wartość max Proces transportu wbrew bodźcom istniejącym nazywany jest transportem aktywnym: Transport aktywny pierwszego rodzaju- jeśli źródłem energii niezbędnej dla transportu aktywnego jest hydroliza ATP  Transport aktywny drugiego rodzaju-jeśli do transportu zostanie wykorzystany jako nośnik strumień jonów biernie transportowanych Pompy elekt.- przenoszące 3 jony Na oraz 2 jony k kosztem hydrolizy jednej cząsteczki ATP (np. w kom. nerwowych, mięśniowych, kom. m. sercowego) Potencjał spoczynkowy kom. – jest to różnica potencjałów pomiędzy środowiskiem wew. i zew. kom., gdy błona kom. nie jest stymulowana żadnym bodźcem Jego wartość odgrywa ważną rolę: - w procesach błonowego transportu –przy przetwarzaniu info. w neuronach –kom. receptorowych – w procesach skurczu kom. m. Wnętrze kom. i środowisko zew. -są elekt, skomponowane (obojętnie elekt.). Lokalny brak kompensacji występuje jedynie na pow. błony kom. Potencjał czynnościowy kom.- spontaniczne zmiany różnicy potencjałów pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem określonego neuronu w funkcji czasu Zjawiska zachodzące na synapsach: kom. nerwowa kontaktuje się z innymi neuronami, kom. mięśniowymi, receptorami za pomocą synaps Ze względu na rodzaj czynnika otwierającego (aktywującego) kanały jonowe dzielimy na 3 gr.: - zależne od napięcia (regulowane są przez potencjał błonowy)  – zależne od ligandu - aktywowane natężeniem mechanicznym Zależność progowego natężenia bodźca Ipod czasu jego trwania ∆t:   Ip=(1/∆t)*(CH*R)+R

Ukł. krążenia stanowi swoisty ukł. hydrauliczny Do opisu ukł. krążenia stosuje się prawa hydrauliki: 1)ciągłość strumienia – objętość ∆V cieczy przepływającej przez dowolny przekrój poprzeczny naczynia w jednostce czasu ∆t jest w każdym miejscu przewodu taka sama ( )1=)2=const słuszne kiedy: ściany naczynia są sztywne, płynąca ciecz jest nieściśliwa, przepływ jest warstwowy Przepływ cieczy określa strumień objętości Q: Q==v*s  s-przekrój poprzeczny naczynia, v-prędkość, ∆V-objętość cieczy, ∆t-czas 2)Prawo Bernoulliego: całkowite ciśnienie p cieczy płynącej przez naczynie ma w różnych jego miejscach taką samą wartość wzór dla naczynia ułożonego poziomo: p1+ρv2= p2+ρv2=const p1i p2- ciśnienia statyczne, ρv2-ciśnienie dynamiczne p1+ρgh1+ ρv2= p2+ρgh2+ ρv2= const  ρgh-ciśnienie związane ze zwiększeniem energii potencjalnej Warunki: brak oporów ruchu, ściany naczynia sztywne, płynąca ciecz jest nieściśliwa 3)Prawo Hagena- Poiseuille`a: Strumień cieczy Q przepływającej przez przewód jest wprost proporcjonalny do różnicy ciśnień ∆p płynącej na jego końcach Q= *∆p π-stała, r-promień danego naczynia, η-lepkość, l-długość naczynia Jeżeli ciecz jest doskonała (pozbawiona lepkości) w rurze bez zmiany średnicy, płynie bez różnicy ciśnień statycznych na końcach rury. W przypadku cieczy rzeczywistej o lepkości η, nawet w rurze o tym samym przekroju musi istnieć różnica ciśnień statycznych, związana z koniecznością pokonania oporów tarcia cieczy Przepływ warstwowy (laminarny), kiedy warstwa środkowa krwi płynie z największą prędkością a prędkości strugi bocznych maleją do zera przy ściankach naczyń Przepływ krwi jest burzliwy kiedy w płynącej cieczy tworzą się zawirowania i prądy wsteczne Towarzyszące przepływowi burzliwemu efekty akustyczne wykorzystywane są w diagnostyce do: osłuchiwania pracy serca, osłuchiwania drzewka oskrzelowego, pomiaru ciśnienia tętniczego Straty energii- związane z przepływem cieczy rzeczywistej przez naczynie odzwierciedla opór naczyniowy R Opór naczyniowy jest równy stosunkowi różnicy ciśnień ∆p na końcach przewodu do strumienia cieczy Q R= Opór naczyniowy zależy od lepkości, promienia i długości naczynia Opory naczyniowe w zależności od sposobu ich połączenia można zastąpić odpowiednimi oporami zastępczymi: 1. Jeżeli opory są połączone szeregowo, to zastępczy opór naczyniowy jest sumą połączonych w ten sposób oporów naczyniowych Rw=R1+R2+R3+… 2.Przy połączeniu równoległym- odwrotność oporu zastępczego jest sumą odwrotności oporów łączonych równolegle Ruch krwi wywołany jest różnicą ciśnień pomiędzy ukł. tętniczym i żylnym podtrzymywaną pracą serca Krew obwodowa w dużym krążeniu płynie pod wpływem różnicy ciśnień ok. 90mmHg W krążeniu płucnym krew płynie pod wpływem średniej różnicy ciśnień ok. 8mmHg Z uwagi na to, że ukł. naczyń krwionośnych znajduje się w polu sił ciężkości, ciśnienie krwi wywołane pracą serca sumuje się z ciśnieniem hydrostatycznym krwi W pozycji stojącej prowadzi do wzrostu całkowitego ciśnienia w naczyniach położonych poniżej serca o p=ρ*g*h Procesy transportu pomiędzy ukł. krwionośnym a ukł. chłonnym: - zachodzą przez ściany naczyń włosowatych –krew płynie w nich z prędkością równą 0,03m/s –proces transportu przez ściany naczyń włosowatych odbywa się na zasadzie filtracji i ultrafiltracji, bodźcem jest różnica ciśnień pomiędzy krwią a płynem tkankowym Różnica ciśnień wymuszających przepływ jest wypadkową różnicy ciśnień statycznych ∆p oraz różnicy ciśnień osmotycznych ∆π krwi i płynu tkankowego Lepkość cieczy η jest liczbowo równa sile F koniecznej do utrzymania różnicy prędkości ∆v=1m/s między dwiema warstwami cieczy o pow. s=1m2przesuwającymi się względem siebie w odległości ∆=1m η=  Hematokryt-stosunek objętości krwinek Vk do objętości krwi Vkr Ф= Lepkość krwi zależy od: -hematokrytu –temp. –gradientu prędkości –przekroju poprzecznego naczynia: w naczyniach o średnicy 0,3 mm lepkość jest stała, a w naczyniach o mniejszej średnicy lepkość maleje Sprężyste właściwości ścian naczyń: -przepływająca przez naczynia krew wywiera na ścianę ciśnienie pw –otoczenie z zew. wywiera na ścianki naczynia ciśnienie pz –różnica ciśnień pt=pw-pz  jest równoważona przez ciśnienie wywierane przez ścianę naczynia i nazywane ciśnieniem transmuralnym  Ciśnienie transmuralne powstaje w wyniku odkształcenia naczynia i pojawienia się w ścianie naczynia siły sprężystości F (rozciąganie włókienek elastyny i kolagenu) zaczepionych wzdłuż osi ścianki L prostopadle do niej i stycznie do pow. ściany, wzór na napięcie sprężyste: T= wartość napięcia sprężystego naczyń krwionośnych zależy od promienia naczynia oraz ciśnienia transmuralnego T=p*r

Rodzaje przepływów: NR= -dla NR<2000 przepływ laminarny –dla 2000<NR<3000 przepływ nieustalony –dla NR>3000 przepływ burzliwy  Rodzaje przepływów: NR= -dla NR<2000 przepływ laminarny –dla 2000<NR<3000 przepływ nieustalony –dla NR>3000 przepływ burzliwy.Z wykonywaniem pomiarów wiążą się następujące czynności: -działanie, -użycie właściwego urządzenia pomiarowego, -zdefiniowanie odpowiedniej jednostki.Wielkości fizyczne: Przedrostki jednostki miary:-giga-G, mega-M, kilo-k, hekto-h, deka-da, decy-d, centy-c, mili-m, mikro-długie n, nono-n, piko-p.Błąd można opisać na 3 sposoby : -bład bezwzględny, np. błąd pomiaru dł.deltaL=0,1CM,wtedy piszemy L=(3,3=o,1)cm-błąd względny, np. delta L/L w naszym przypaku:0,1/0.31, -błąd względny procentowy.*Zapisując błąd ograniczamy się zawsze do1-szej cyfry znaczącej(1-szej różnej od zera cyfry w danym wyniku). Wskazuje ona miejsce dziesiętne, na którym rozpoczyna się błąd.*Wynik końcowy ma tyle cyfr znaczących ile czynnik, który ma ich najmniej*Wzory z prądu:-moc pradu: P=U*J=J2*R-wzór na ciepło: Q=U*J*t=J2*R*t-Prawo ohima; R=U/J-Opór: R=p*l/S (U-napięcie na końcach opornika, J- natężenie prądu, p-opór właściwy, l-długość przewodnika, S-pole przekroju poprzecznego)Ukl.oddechowy:ruch powietrza do płuc i z płuc wyr.jest różnicą ciś.pomiędzy powietrzem atmo.a powietrzem w płuchach.Różnica ciś.∆p=pp-pop.rozciąga płuca wywołując naprężenie-spręzyste tk.Wynikiem działania sił sprężystych tkanki jest ciś.sprężystetk.pspw warunkach równowagi: psp=pp-pop.Podczas wdechu zostaje wprowadzona do płuc obj.powietrza-obj.oddechowa Vv(0,J dcm3).Obj.powietrza wdychana w ciągu 1min zwana jest wentylacją minutową.wentylacja=∆Vv/∆t.Przy spokojnym oddychaniu wentylacja pluc wynosiok.81/min. Przy intensywnym wysiłku może wzrosnąc 20-krotnie.Właściwości mechaniczne tk płucnej:Bada się na płucu wyizolowanym.Płuco nadmuchuje siępowietrzem(inflacja)mierzy ciś.i odpawiadajacamu obj.Taki sam pomiar wykonuje się przy poróżnieniu płuc(deflacja)Histereza objętościowo-ciśnieniowa podczas inflacji i deflacjiWymiana gaz. Pecherzyki płucne są gesto oplecione naczyniami włosowatymi.Wym.gazów pomiedzy powietrzem a krwią zachodzi na drodze dyfuzji.Wazna role odgrywa rozpuszczalność gazów we krwi.Rozpusz.gazów w cieczy podlega planu Henry'ego: c=a*p1,c-steżenie rozp.gazu w cieczy; p-ciś cząstkowe gazu nad ciecza;a-wspolczynnik rozpuszczalności gazu zalezy od temp.Fala mechaniczna-...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • braseria.xlx.pl

    •