Комментарии к тренировочным тестам для еоп по “медицинской физике” 2020

Опыт Уссинга доказывает, что существует

а) пассивный транспорт

б) активный транспорт

 

В опыте Уссинга заполненный физраствором сосуд разделили на две части кожей лягушки. В обоих частях сосуда поддерживали равные концентрации и равные электрические потенциалы. С помощью амперметра обнаружено и методом меченых атомов подтверждено, что через кожу идет однонаправленный транспорт ионов натрия.

9. Фазовый переход липидного бислоя мембран из жидко-кристаллического состояния в гель сопровождается:

 

а) утолщением мембраны

б) толщина мембраны не меняется

в) утоньшением мембраны

 

При замораживании мембраны, подвижность молекул фосфолипидов снижается, диффузия прекращается, мембрана переходит в состояние, которое иногда называют твердокристаллическим, а иногда гелем. Структура становится более упорядоченной, хвосты вытягиваются, расстояние между головками как в одном слое, так и межу слоями меняется.

10. Закон диффузии Фика:

а)

б)

в)

г)

д)

См. комментарии к вопросу 6.

11. Молекула валиномицина переносит через мембрану:

а) Ca ²⁺

б) K ⁺

в) Cl ^- и OH ^–

 

Молекула валиномициона обеспечивает так называемый облегченный пассивный транспорт через мембрану иона, определяющего величину трансмембранного потенциала покоя. Этой молекуле даже поставлен памятник.

  

Калий-натриевый насос

а) за один цикл «закачивает» 2К+ внутрь клетки и «выкачивает» из клетки 3Na+

б) за один цикл «закачивает» 2К+ внутрь клетки, за второй «выкачивает» из клетки 2Na+

в) за один цикл «выкачивает» из клетки 3Na+, за второй «закачивает» 2К+ внутрь клетки

г) за один цикл «закачивает» внутрь клетки 2К+ и 2Na+

 

Фермент натрий-калиевая аденозинтрифосфатаза (АТФ-аза) присоединяет с одной стороны мембраны три иона Na+. Эти ионы изменяют конформацию активного центра, что позволяет гидролизовать одну молекулу АТФ. Выделившаяся энергия расходуется на изменение конформации АТФ-азы, благодаря чему три иона Na+ оказываются перенесены через мембрану. Здесь ионы Na+ отщепляются, и присоединяются два иона К+. После этого фермент возвращается в исходную конформацию, ионы К+ оказываются оказываются перенесенными через мембрану в обратную сторону. Здесь ионы К+ отщепляются, и переносчик вновь готов к работе. В итоге во внеклеточной среде создается высокая концентрация ионов Na+, а внутри клетки — высокая концентрация K+.

13. Какие физические методы из нижеперечисленных используются для исследования биологических мембран:

1) электронная микроскопия 2) рентгеноструктурный анализ,

3) аудиометрия 4) ультразвуковая диагностика

 

а) 1,2,3 б) 1,2 в) 1,2,3,4

 

Минимальное расстояние между двумя объектами, на котором эти объекты можно различить по отдельности, а не как единое целое, равно половине длины волны, которой эти объекты облучаются – λ/2. Также по отражению волн нельзя определить объект меньший λ/2, – волна такой объект огибает.

Толщины биологических мембран порядка 10 нм. Изучаемые мембранные структуры имеют размеры того же порядка. Эти структуры невозможно различить в оптический микроскоп, так как длины волн видимого света 380…780 нм.

Могут ли такие структуры быть различимы звуковыми волнами с частотами 20…20000 Гц, что соответствует длине волны в воде примерно 0,1…100 м (длина волны равна отношению скорости к частоте)?

Частота применяемого в медицине ультразвука 5…15 Мгц, что соответствует длине волны в воде 0,1…0,3 мм. Верхней границей ультразвука считается гиперзвук, использовать который технологически сложно, с частотами от 10⁹ Герц, что соответствует длине волны в воде 1,5 мкм.

В электронном микроскопе электронная пушка излучает пучок электронов, затем электромагнитная фокусирующая система этот пучок фокусирует и с высокой точностью сканирует образец.

Высокая разрешающая способность электронного микроскопа определяется способностью сфокусировать электронный пучок на очень малом участке. Электроны являются частицами, но ведут себя как волны, с так называемой длиной волны Де Бройля λ = h/р, где h – постоянная планка, а p – импульс частицы. Половина этой длины волны для электрона в пучке типичного электронного микроскопа меньше 1 Å, что позволяет фокусировать пучок на отдельном атоме.

Электронный микроскоп, работающий «на просвет» позволяет изучать только тонкие объекты, такие как мембрана или вирус. Электронный пучок сканирует образец, а датчик электронов под образцом принимает слабый или сильный сигнал в зависимости от того попадает ли луч в данный момент на рассеивающий элемент, то есть атом. Так строится изображение, на котором могут быть видны отдельные атомы.

Электронный микроскоп может изучать и крупные объекты, например комара. Но уже не на просвет. Поверхность крупного образца сканируется пучком электронов, и каждый атом поверхности изучаемого объекта как анод в трубке на мгновение становится источником тормозного и характеристического рентгеновского излучения. Этот атом также отражает падающие на него электроны, и в некоторых случаях испускает собственные электроны, выбитые падающим электронным пучком. Все эти излучения несут информацию о свойствах сканируемой поверхности, в том числе химическом составе, и используются для построения изображения.

                            

Метод рентгеноструктурного анализа основан на отражении рентгеновской волны от повторяющихся элементов кристаллической структуры и интерференции отраженных волн на рентгеновской пленке. Отраженные от разных слоев решетки волны попадают на пленку с некоторой разностью хода; вариантов разности хода отраженных в данном направлении лучей немного. Под некоторыми направлениями эти разницы хода соответствуют, под другими не соответствуют условию совпадения фаз, то есть взаимному усилению и засветке пленки. В результате под какими-то углами пленка засвечивается, под какими-то нет. Анализируя наблюдаемую картину пятен на пленке, можно восстановить структуру кристалла.

      

Биологическая мембрана тоже является кристаллом и поддается рентгеноструктурному анализу.

Укажите соответствие

а) I₀                     1) концентрация вещества

б) l                       2) коэффициент поглощения

в) c                      3) начальная интенсивность

г) k                      4) глубина

 

Интенсивность - intensity, концентрация - concentration, длина (глубина, расстояние) – length. Коэффициент – coefficient, но буква «c» занята, нужно использовать другую.

44. Связь оптической плотности D с коэффициентом пропускания τ

а)

б)

в)

г) τ

 

Оптическая плотность D имеет смысл числа порядков, на которые изменилась интенсивность при прохождении через поглощающий слой – lg(I/I₀). Коэффициент пропускания τ имеет смысл доли, которую интенсивность света на выходе составляет от интенсивности света на входе – I₀/I.

Закон преломления света

а)  

б)

в) α=β

 

Закон преломления света позволяет рассчитать под каким углом β преломится падающий на границу раздела сред луч, если известен угол падения α и коэффициенты преломления обоих сред n1 и n2.

Укажите соответствие

а) 10 эВ                             1) видимый свет

б) 500 нм                          2) УФ

в) 10 см                             3) радиоволна

г) 10^-5 нм                          4) γ-излучение

 

Диапазон длин волн видимого света 380…780нм.

Микроволновое или сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение — электромагнитное излучение, с частотами от 300 МГц до 300 ГГц (длина волны от 1 мм до 1 м). С некоторой натяжкой можно назвать радиоволной, так как обычно выделяют в отдельный класс СВЧ-волн.

1нм = 10^-9 м

Гамма-излучение — электромагнитная волна длиной менее 2⋅10⁻¹⁰ м.

Чтобы определить связь длины волны с энергией кванта в эВ нужно знать следующее:

· Длина волны, частота и энергия кванта связаны с помощью следующих формул:

λ=с/ν, E = hν,

· 1эВ – или один электронвольт, это работа, которую совершает поле перенося заряд равный одному электрону между двумя точками с разницей потенциалов 1 вольт.

· 1 эВ = 1,6⋅10⁻¹⁹ Дж

· Значение постоянной планка h может быть выражено через Дж·с или эВ·с

· h = 6,6 · 10−34 Дж·c = 4,1 · 10−15 эВ·c

Вопрос повторяет вопрос №63

Комментарии к тренировочным тестам для ЕОП по “Медицинской физике” 2020

 

Дополнительный материал для групп стоматологического факультета, у которых в весеннем семестре 2020 г физику ведет А.С. Шаракшанэ. Предназначен для домашней работы во время карантина.

 

Задание:

1) Прочитать вопросы тренировочного теста. Большую часть ответов вы знаете.

Для ответа на вопросы, которые очевидными не кажутся, используйте сведения из комментариев.

 

2) Курс физики заканчивается, и, если вам все понятно, значит курс пройден неуспешно. Ощущение понимания ложно. В норме изучение любой темы рождает вопросы, ответы на которые рождают новые вопросы: в философии это называется «движущийся нож знания». Поэтому прошу сформулировать и прислать мне хотя бы один собственный вопрос, имеющий отношение к медицине и к физике, который остался непонятен. А я постараюсь ответить.

Антон Сергеевич Шаракшанэ,

[e-mail]

WhatsApp: [phone]

 

1. Укажите единицу измерения коэффициента диффузии:

а) Н·м

б) ммоль/с

в) Вт/м²

г) м²/с

 

Определить размерность коэффициента диффузии D можно из формулы диффузии (закона Фика) j= - D · dC/dx, где плотность потока диффундирующих частиц j размерности {моль/(с·м²)} имеет физический смысл числа частиц {моль}, проходящих за секунду {с} через площадку единичной площади {м²} ориентированную перпендикулярную направлению потока. Концентрация c имеет размерность {моль/м³}, а градиент концентрации dc/dx имеет размерность {моль/м⁴}

 

2. Толщина биологической мембраны:

а) 1 мкм

б) 10 А ⁰

в) 10 нм

г) 5 мкм

 

· 1миллиметр = 1000 микрометров

· Диаметр эритроцита 6-8мкм, толщина около 2мкм.

· 1 микрометр = 1000 нанометров

· 1 Ангстрем (Å) – это примерный размер электронной оболочки водорода.

3. Головки фосфолипидов

а) гидрофобны

б) гидрофильны

4. Для нормального функционирования биомембрана живого организма должна находиться в:

 

а) в жидкокристаллическом состоянии

б) твердом аморфном состоянии

в) в гель состоянии

г) в жидком аморфном состоянии

д) в твердом кристаллическом состоянии

 

Мембрана – это жидкая структура в жидкости. Признак жидкости – диффузия молекул по веществу (латеральная диффузия по своему слою в мембране, флип-флоп – переход между слоями). Признак твердого состояния - отсутствие диффузии.

Признак кристалла – наличие кристаллической решетки в виде периодически повторяющейся на неограниченном расстоянии структуры (так называемый дальний порядок).

Аморфное состояние характеризуется отсутствием дальнего порядка.

Определение геля: по крайней мере два компонента, один из которых образует непрерывную трёхмерную макромолекулярную сетку, выступающую в роли каркаса, пустоты в которой заполнены низкомолекулярным растворителем — дисперсной фазой.

 

5. Характерное время перескока молекулы фосфолипидов из одного слоя в другой

а) несколько часов

б) 10 -7 с                                           

в) 1 мс           

 

Подвижность фосфолипидов в своем слове высока – за одну секунду одна молекула проходит расстояние порядка размера клетки. Но свой слой в мембране молекулы фосфолипидов сохраняют долго. Причина исключительно редкого флип-флопа заключается в его энергетической невыгодности, поскольку необходимо перенести полярную головку через гидрофобную область бислоя.

6. Укажите закон фика:

а) j_m = 2D dc/dx

б) j_m = D dc/dt

в) j_m = - D dc/dx

г) j_m = - D c/x

Плотность потока молекул при диффузии тем выше, чем сильней меняется концентрация с расстоянием, то есть пропорциональна градиенту концентрации dc/dx. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом диффузии D.

Поток диффузии направлен из области с большей концентрацией в область с меньшей, тогда как градиент – это вектор, указывающий направление в область с большей концентрацией. Эти две векторные величины противонаправлены, что приводит к появлению знака минуса в формуле, сопоставляющей диффузию и градиент концентрации.

7. В язкость липидного слоя мембран близка к вязкости:

а) растительного масла

б) этанола

в) воды

 

Сравните размеры молекул фосфолипидов, воды, этанола и жиров, и по размеру оцените сравнительную подвижность молекул, и, как следствие, вязкость жидкостей.