Эффект Доплера и его использование в медико-биологических исследованиях

Эффектом Доплера называется изменение частоты волн, регистрируемой приемником, которое происходит вследствие движения источника этих волн и приемника. Например, при приближении к неподвижному наблюдателю быстро двигающегося поезда тон звукового сигнала последнего выше, а при удалении поезда – ниже тона сигнала, подаваемого тем же поездом, когда он стоит на станции.Эффект Доплера можно использовать для определения скорости движения тела в среде. Для медицины это имеет особое значение. Например, рассмотрим такой случай. Генератор ультразвука совмещен с приемником в виде некоторой технической системы.

Техническая система неподвижна относительно среды.

В среде со скоростью v₀ движется объект (тело). Генератор излучает ультразвук с частотой v₁. Движущимся объектом воспринимается частота v₁, которая может быть найдена по формуле:

где

v – скорость распространения механической волны (ультразвука).

Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов; потока энергии волн. Волновой процесс связан с распространением энергии. Количественной характеристикой от энергии является поток энергии.

Поток энергии волн равен отношению энергии, переносимой волнами через некоторую повеРХность, к времени, в течение которого эта энергия перенесена:

Единицей потока энергии волн является ватт (Вт).

Поток энергии волн, отнесенный к площади, ориентированной перпендикулярно направлению распространения волн, называют плотностью потока энергии волн, или интенсивностью волн.

 

 

Биологические мембраны, их структура и функции. Модели мембран.

Мембраны представляют собой плоские или изогнутые слои толщиной до 9 нм, образованные молекулами белков, жиров (липидов) и углеводов. Мембраны – это клеточные структуры, повсеместно встречающиеся в живых клетках и регулирующие обмен между клеткой и внешней средой (клеточные или плазматические мембраны), либо между различными частями клетки (внутриклеточные мембраны).

Основу мембраны образует двойной слой липидов. В этот слой встроены белковые молекулы, придающие специфические свойства различным участкам мембран, и тем самым, позволяющие последним принимать участие в разнообразных метаболитических процессах.

Молекулы липидов упакованы в слой так, что гидрофобные части (жировые хвосты) этих молекул отделены от воды, в то время как гидрофильные части (полярные головки) погружены в неё.

Двойной слой липидов как бы образует своеобразную двумерную жидкость с вязкостью, близкой к вязкости жидкого масла, поэтому молекулы липидов и белков легко перемещаются в плоскости слоя (латеральная диффузия).

При некоторых условиях (понижение температуры) в мембранах могут происходить процессы, сопровождающиеся изменением ориентации полярных головок и (или) затвердеванием углеводных хвостов липидов, что приводит к изменению функциональных свойств мембраны.

Наиболее распространенной является жидкомозаичная модель мембраны: в липидном слое плавают более или менее погруженные белки.

Мембраны выполняют две важнейшие функции:

- матричную (являются матрицей, основой для удерживания белков, выполняющих различные функции);

- барьерную (защищают клетку и отдельные ее части от проникновения нежелательных частиц).

 

Перенос частиц через мембраны. Уравнение Фика. Применение уравнения Фика к биологической мембране. Уравнение Нернста-Планка.

Явления переноса – самопроизвольные необратимые процессы, в которых благодаря молекулярному движению из одной части системы в другую переносится какая-либо физическая величина.

К явлениям переноса, в частности, относятся диффузия (перенос массы) и электропроводность (перенос электрического заряда).

Как синоним переноса частиц в биофизике используется термин транспорт частиц.

Основное уравнение диффузии (Уравнение Фика):

где J – плотность потока частиц, S – площадь элемента. Знак «–» показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону, противоположную градиенту концентрации (dc/dx).

Уравнение Фика описывает диффузию в однородной среде. Модифицируем его для случая диффузии через мембрану.

Коэффициент распределения вещества (К) – величина, равная отношению концентраций частиц в граничащих средах:

Коэффициент распределения вещества между мембраной и окружающей средой равен коэффициенту распределения вещества между мембраной и клеткой:

, где

с_i – концентрация частиц внутри клетки;

с_мi – концентрация частиц в мембране у ее внутренней поверхности;

с_мо – концентрация частиц в мембране у ее внешней поверхности;

с_о – концентрация частиц вне клетки.

Отсюда получаются выражения для концентрации частиц внутри мембраны:

Величины с_о и с можно измерить. Учитывая малую толщину мембраны (L), можно считать, что концентрация молекул диффундирующего вещества изменяется в ней линейно. Поэтому градиент концентрации диффундирующего вещества постоянен: