Вопрос 37. Электрический импульс и импульсный ток. Виды импульсов. Дифференцирующие к интегрирующие цепи. Механизм действия импульсных токов на организм.
Электрическим импульсом называется кратковременное изменение электрического напряжения или силы тока. Повторяющиеся импульсы называют импульсным током.
Т - период повторения импульсов, tи - длительность импульса.
Виды импульсов:
- видеоимпульсы - это электрические импульсы тока или напряжения, которые имеют постоянную составляющую, отличную от нуля;
- радиоимпульсы - это модулированные электромагнитные колебания;
Прохождение прямоугольного импульса через различные цепи:
а) дифференцирующая цепь
Если на вход такой цепи поступают прямоугольные импульсы напряжения, то форма импульса на выходе зависит от соотношения времени, необходимого для зарядки конденсатора = R С и длительности импульса tи.
При << tи конденсатор заряжается в начале импульса и разряжается в конце. При этом получаются два кратковременных импульса разного знака.
При >> tи конденсатор успевает зарядиться частично. Форма импульса изменяется только в начале и конце.
б) интегрирующая цепь
Поступившие на вход прямоугольные импульсы напряжения вследствие заряда конденсатора в начальной части импульса и разряда его в конце, создают на выходе постоянно нарастающую и постоянно спадающую формы.
Живые организмы и все клетки обладают способностью отвечать на воздействие импульсных токов или нарушением своего состояния, или изменением своей структуры, или усилением или ослаблением своей активной деятельности и т.д.
Так как специфическое физиологическое действие электрического тока зависит от формы импульсов, то в медицине для стимуляции центральной нервной системы (электросон, электронаркоз), нервно-мышечной системы (электрогимнастика, болеутоляющее действие), сердечно-сосудистой системы (кардиостимуляторы, дефибриляторы) и т.д. используют токи с различной временной зависимостью.
Литература: Ремизов А.Н.,Медбиофизика,-1987.с.331-335.с.343-348. Лекции.
Воврос 38. Свободные радиолы в биологических системах. Основные типы, физико-химические свойства и методы обнаружения свободных радикалов. Роль свободно-радикальных процессов в патологии.
Свободные радикалы - кинетически независимые частицы, характеризующиеся наличием неспаренных электронов.
Свободные радикалы подразделяются на
- короткоживущие (до 0,1сек) и долгоживущие (минуты, месяцы, годы);
- монорадикалы - молекулы, имеющие один неспаренный электрон во внешнем электронном слое и
бирадикалы -молекулы, имеющие два неспаренных электрона во внешнем электронном слое (-О-О-).
- ионорадикалы, если свободный радикал заряжен.
Свободным радикалам присуща высокая химическая реакционная способность. Особенно характерной является реакция рекомбинации свободных радикалов: СН3 + СН3 С2Н6 + h. Такая реакция обусловлена термодинамически и ведет к стабилизации продуктов.
Свободные радикалы, возникающие, при действии на организм ионизирующих излучений, за счет радиолиза воды, являются инициаторами цепных реакций окисления белковых молекул, приводящие организм к гибели.
На рисунке представлены экспериментальные данные развития рака печени под воздействием ионизирующего излучения. На рисунке отчетливо видны два максимума большой концентрации свободных радикалов на 6-15 сутки после облучения и на 100-120 сутки: стадия «а» - возникновение первичной опухоли; стадия «б»-диффузно-очаговый рост опухоли.
Таким образом, свободно-радикальные процессы играют очень важную роль при канцерогенезе. Вследствие этого необходимо уметь определять концентрацию свободных радикалов. К основным , методам обнаружения свободных радикалов относятся: методы хемилюминисценции и электронного парамагнитного резонанса (ЭИР).
Как уже говорилось ранее, молекулы могут переходить в возбужденное состояние при химическом взаимодействии с другими молекулами. Затем при переходе молекул в основное состояние, может возникнуть свечение, называемое хемилюминисценцией.
Спонтанная хемилюминисценция делится на три основных вида: митогенетитческое излучение, биолюминисценция и сверхслабое свечение.
Митогенетитческое излучение - это ультрафиолетовое излучение (198-320 нм), субстратом которого служат белки и углеводы. По Гурвичу А.Г. (1923), это излучение стимулирует клеточное деление.
Биолюминисценция - воспринимаемое глазом свечение (420-710 нм), присущее многим организмам: бактериям, светлячкам, некоторым рыбам, грибкам, простевшим. Во всех случаях биолюминесценция является результатом ферментативного окисления особых веществ (люцеферинов), молекулы которых при окислении способны переходить в возбужденное состояние. Фермент, катализирующий окисление люцеферинов, получил название люцеферазы.
Сверхслабое свечение (360-800 им) обнаружено Тарусовым Б.Н., Поливодой А.И. и Журавлевым А.И. в 1961 г. Было выяснено, что свечение живых организмов, тканей и клеток сопровождает окислительные реакции экзотермического типа, развивающиеся по радикальному механизму.
Например: R* + RO* ROR + h
Оказывается, что интенсивность свечения пропорциональна скорости рекомбинации свободных радикалов. Зная количество квантов, испускаемых тканью в единицу времени, можно определить концентрацию свободных радикалов в исследуемой ткани. Это и послужило теоретической основой метода хемилюминесценции, который осуществляется с помощью прибора - хемилюминометра.
Метод хемилюминесценции является одним из основных методов обнаружения свободных радикалов, так как не изменяет функционального состояния ткани, органа, всего организма в целом. Расчет показывает, что на хемилюминесцентной установке можно обнаружить 10-10 моль на литр радикалов.
В организме свободно-радикальное окисление тормозится системой тканевых антиокислителей, в которую входят: аскорбиновая кислота, адреналин, каратиноиды, фосфолипиды.
Хорошими антиокислителями являются витамин Е, ионол. Антиоксидант легко вступает в химическую связь со свободным радикалом с образованием неактивных продуктов. Именно поэтому они применяются в качестве химической защиты.
Электронных парамагнитный резонанс - прямой метод изучения свободных радикалов, хотя он примерно в 100 раз менее чувствителен, чем метод хемилюминесценции.
Сущность метода заключается в следующем: было обнаружено, что молекулы с неспаренными электронами (свободные радикалы) при помещении их в постоянное магнитное поле поглощают электромагнитные волны в области длин волн порядка 1 см. Это поглощение связано с переориентацией спина неспаренного электрона во внешнем магнитном поле напряженностью Н при воздействии на молекулу электромагнитного излучения подходящей чистоты.
Дело в том, что спин электрона может быть ориентирован только параллельно или антипараллельно напряженности магнитного поля Н. Следовательно, магнитный момент электрона е , имеющий направление, противоположное спину вращающегося отрицательного заряда, также будет ориентирован параллельно или антипараллельно Н. Двум различным ориентациям магнитного момента соответствуют различные уровни энергии. Такая система может поглощать электромагнитное излучение с частотой, если ΔЕ = h.
Энергия взаимодействия магнитного диполя с внешним магнитным полем определяется выражением:
Е =е Н (1 - соs), где - угол между е и Н, который принимает значения 0° либо 180°. Тогда ΔЕ =2е Н.
Более точная формула: ΔЕ = g 0 Н, где 0 - магнетон Бора (физическая постоянная) - магнитный момент классического электрона, момент количества движения которого равен h / (2); g - фактор Ланде (2,000 - 2,060), который зависит от вида свободного радикала.
При поглощении излучения h = g 0 Н. Спектр ЭПР - это график зависимости вероятности поглощения от частоты электромагнитной волны, падающей на образец ткани, помещенной в постоянное магнитное поле. Литература: Губанов Н.И., Медбиофизика, -1978, с.296-«М. Владимиров Ю.А., Биофизика, -1983, с.252-259. Лекции.
Вопрос 39. Акустика. Физические характеристики звука. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками. Частотный н динамический диапазон слышимости человеческого уха. Акустический импеданс. Аудиометрия.
Акустика - учение о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 Гц до 20 000 Гц).
Физические характеристики звука:
- интенсивность (амплитуда) - энергия, переносимая волной в единицу времени через единицу площади, ориентированной перпендикулярно направлению распространения волны: I = E / (S t). Интенсивность измеряется в Вт/м2;
- звуковое давление р, связанное с интенсивностью звука: I = р2 / (2 ), где - акустическое сопротивление, - плотность среды, - скорость звука;
- частота звука - число колебаний в единицу времени;
- акустический спектр - набор частот с указанием их относительной интенсивности (амплитуды).
Характеристики слухового ощущения:
- громкость звука - характеризует уровень слухового ощущения;
- высота тона - обусловлена частотой основного тона;
- тембр звука - определяется спектральным составом.
Частотный диапазон слышимости человеческого уха: 20 Гц-20000 Гц.
Динамический диапазон слышимости человеческого уха определяется отношением порога болевого ощущения к порогу слышимости на частоте 1 Кгц и составляет 130 дБ.
Аудиометрия - метод измерения остроты слуха. С помощью аудиометра определяется порог слухового ощущения на разных частотах.
Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика, -1987, с.151-158. Лекции.