- •1.Биофизика как наука. Определение, предмет, основные разделы.
- •2. Структурные основы цитоплазматической мембраны её биологическое значение.
- •3. Физические параметры, влияющие на формирование структуры и функции мембраны. Физические свойства мембраны как фазы (формула – электростатической ёмкости).
- •4. Трансмембранный перенос веществ. Пассивный перенос веществ через биомембраны. Основные механизмы пассивного транспорта.
- •5. Основное уравнение диффузии веществ через мембрану (электродиффузное уравнение Нернста-Планка и уравнение Фика). Транспорт веществ через поры (уравнение).
- •8. Диффузный и равновесный потенциалы, механизм формирования потенциалов и их величины (уравнение Гендерсона и Нернста).
- •9. Стационарный потенциал Гольдмана-Ходжкина, механизм формирования и его величина (уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца).
- •10. Электрогенез потенциала действия (графическое изображение, характер направления ионных потоков).
- •11. Понятие авс и их свойства. Распространение волн возбуждения по нервному волокну.
- •12. Модель распространения возбуждения в сердечной мышце. Трансформация волн возбуждения в сердце.
- •13. Характеристики электрического поля точечного заряда (напряжённость, силовые линии, потенциал, эквипотенциальные поверхности).
- •14. Диполь. Характеристика поля диполя (распределение силовых линий, дипольный момент, потенциал диполя).
- •15. Понятие токового диполя. Его потенциал.
- •16. Электрическая модель сердца: а) эквивалентный электрический генератор сердца; б) потенциал поля, создаваемого сердцем; в) модель треугольника Эйнтховена.
- •17. Электропроводность клеток и тканей для цепи постоянного тока. Электрическая поляризация. Виды электрической поляризации.
- •18. Электропроводность клеток и тканей для цепи переменного тока. Импеданс клеток и тканей.
- •19. Исследование биологических объектов с помощью постоянного и переменного электрического тока.
- •20. Структурные и функциональные особенности скелетной мышцы. Модель скользящих нитей.
- •21. Механические свойства мышц.
- •22.Уравнение Хилла. Работа одиночного сокращения.
- •23. Термодинамическая оценка работы мышцы. К.П.Д.
5. Основное уравнение диффузии веществ через мембрану (электродиффузное уравнение Нернста-Планка и уравнение Фика). Транспорт веществ через поры (уравнение).
Для описания пассивного транспорта – диффузии ионов в биофизике используется электродиффузионная теория, в соответствии с которой суммарный поток ионов через мембрану при пассивном транспорте определяется 2-мя факторами: неравномерностью их распределения (градиентом концентрации) и воздействием электрического поля (электрическим градиентом). Плотность потока ионов для разбавленных растворов определяется по уравнению Нернста-Планка:
где: Ф — поток вещества, u — подвижность иона, молекулы, R — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/моль*К), Т — температура по шкале К0, dC/dx - концентрационный градиент, С — концентрация в молях, Z— величина заряда иона, F — число Фарадея (96500 Кл/моль), dφ/dx — градиент потенциала.
Знаки минус перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от мест с большей концентрацией в места с меньшей; а градиент потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим потенциалом к местам с меньшим.
Для описания диффузии незаряженных частиц используют уравнение Фика:
В этом виде уравнение Фика определяет поток незаряженных частиц через единичную площадь в случае, если не существует перегородки (мембраны), которая может затруднять перенос, где:
D
D
- коэффициент диффузии,- градиент концентрации
DK / L = Р — называют эффективным коэффициентом проницаемости, тогда Ф = - Р (Сe -Сi)
6. Механизм активного транспорта ионов К+ и Na+ через мембрану. Основные этапы работы K, Na - АТФ-азы. Энергозатраты противоградиентного переноса (формула).
Ионы Na и К определяют водно-электролитный обмен организма. В норме в живых клетках животных существует асимметрия концентраций этих ионов внутри (i) и снаружи (e) клетки. Концентрация К больше внутри клетки, концентрация Na больше снаружи. Клеточная мембрана одинаково проницаема для обоих ионов. Поэтому для поддержания асимметрии осуществляется противоградиентный перенос при помощи Na, К - АТФ-азы или Na-К насоса, за счёт энергии, освобождающейся при гидролизе АТФ.
АТФ +Н2О = АДФ + Фн + ∆G, где Фн – неорганический фосфат.
Основные этапы работы АТФ-азы:
1) Присоединение 3 ионов Na и фосфорилирование фермента внутри клетки.
2) Транслокация №1 –перенос центра связывания ионов Na наружу.
3) Отсоединение 3 ионов Na и замена их на 2 иона К.
4) Отщепление остатков фосфорной кислоты.
5) Транслокация №2 – перенос центра связывания ионов К внутрь клетки.
6) Отсоединение 2 ионов К и присоединение 3 ионов Na, затем фосфорилирование фермента.
Перенос 2 ионов К внутрь клетки и выброс 3 ионов Na наружу приводит в итоге к переносу одного дополнительного положительного заряда из цитоплазмы на поверхность мембраны. Поэтому внутриклеточное содержимое имеет знак (-), а внеклеточное (+). В целом, энергия, которая освобождается при гидролизе АТФ для осуществления активного транспорта Na+ и К+, определяется формулой:
где первое слагаемое определяет энергию для противоградиентного переноса двух ионов К второе – энергию для противоградиентного переноса трёх ионов Na, третье – энергию на преодоление сил электрического поля, возникающего на мембране за счёт активного транспорта.