Антонов В.Ф. Практикум по биофизике

Подождите немного. Документ загружается.

кожи.

Обращают внимание на полярность потенциала. Запи-

сывают значение потенциала кожи в течение 30 минут (через

каждые 5 минут) и результаты представляют в виде графи-

ка:

величина потенциала кожи по оси ординат и время по

оси

абсцисс.

Как

было сказано выше, потенциал кожи создается натрие-

вым насосом и, в принципе, его величина должна быть равной

ЭДС натриевого насоса. Однако в действительности транспорт

анионов

СГ (рис. 5) шунтирует ЭДС натриевой помпы и реаль-

ная

величина потенциала кожи

всегда

ниже значения натрие-

вой ЭДС.

R..

-•ь

1—1

Рис.

5. Эквивалентная электрическая схема

кожи

лягушки

Для того, чтобы увеличить потенциал кожи и прибли-

зить его величину к значению ЭДС натриевого канала насо-

са необходимо, очевидно, уменьшить

хлорную

проницае-

мость кожи. Анионы С1~ перемещаются по межклеточным

пространствам. Для уменьшения хлорного переноса по

межклетникам используют способность некоторых веществ

"дубить"

кожу. Таким дубящим веществом может быть мед-

ный

купорос.

Для проведения опыта в обе части камеры добавляют рас-

твор медного купороса на растворе Рингера в конечной кон-

центрации

1 мМ. Регистрируют изменение потенциала кожи

убеждаются

в увеличении потенциала кожи в присутствии

ионов

меди.

Задание

3. Измерение тока короткого замыкания в коже ля-

гушки.

Включают

токовую цепь и компенсируют потенциал кожи

до нуля. Измеряют ток компенсации и записывают его значе-

ние.

Отключают токовую цепь, измеряют потенциал кожи и

записывают его значение. Измерения проводят каждые 5 ми-

нут в течение 40 минут и записывают в таблицу:

Время

(мин.)

Потенциал

кожи

(мВ)

Ток

короткого

замыкания

(МКА)

Задание

4. Зависимость тока короткого замыкания от мета-

болизма кожи.

Натриевый

насос кожи лягушки в значительной степени за-

висит от энергоснабжения клеток кожи и, в частности, от ко-

личества АТФ и скорости ее синтеза.

Уменьшение скорости синтеза АТФ можно добиться исполь-

зованием классического разобщителя окислительного фосфори-

лирования

2,4-динитрофенола. Для проведения опыта в обе час-

ти камеры добавляют 2,4-динитрофенол, разведенный на рас-

творе Рингера в конечной концентрации 1 мМ и наблюдают бы-

строе падение тока, из

чего

следует

вывод о зависимости натри-

евого активного тока от уровня синтеза АТФ в клетках кожи.

Угнетение метаболических процессов в клетке может быть

достигнуто

воздействием низкой температуры. Известно, что

понижение

температуры на каждые 10°С сопровождается за-

медлением метаболических реакций в 2—4 раза.

Для выполнения этого задания готовят новый препарат ко-

жи,

а раствор Рингера перед опытом

охлаждают

в холодильни-

ке

до +1—Ь2°С. Монтируют препарат кожи, заливают камеру

охлажденным раствором Рингера и производят измерение то-

ка

короткого замыкания.

Убеждаются

в значительном паде-

нии

тока короткого замыкания по сравнению с нормальной ве-

личиной,

определенной в задании 3.

1.3.

Исследование

диффузии

аппарате

"Искусственная

почка"

Явление диффузии наблюдается в каждой живой клетке би-

ологических систем; без него невозможно нормальное функци-

онирование

живой системы.

Явлению диффузии принадлежит важная роль, наряду с

другими явлениями пассивного (фильтрация, осмос) и ак-

тивного (реабсорбция) транспорта, в процессах, происходя-

щих в основном выделительном органе нашего организма —

почках.

На

явлении диффузии основана лечебная процедура "диа-

лиз",

которая осуществляется на физической модели почки —

аппарате "Искусственная почка".

Поэтому знание явления диффузии необходимо

будущему

врачу

для более

глубокого

понимания процессов пассивного

транспорта веществ через мембранные

структуры

живых кле-

ток

и принципа работы аппарата "Искусственная почка".

Цель

работы:

1. Научиться объяснять законы, описывающие явление

диффузии.

2. Научиться объяснять устройство и принцип действия ди-

ализатора, являющегося основным

узлом

аппарата "Искусст-

венная

почка".

3. Изучить процесс диффузии в диализаторе.

Литература:

Антонов

В.Ф. и др. Биофизика. — М.:

Владос,

2000.

Подготовка

работе

Изучить по рекомендованной

литературе

уметь

объяснять

следующие

вопросы:

1. Диффузия в открытом пространстве. Электрохимический

потенциал,

градиент электрохимического потенциала, гради-

ент концентрации, градиент электрического потенциала.

2. Уравнение Теорелла. Уравнение Нернста-Планка. Закон

Фика.

3. Диффузия через мембрану. Закон Фика для этого случая.

Полупроницаемая

мембрана.

4. Диализ. Диализатор. Устройство и принцип работы диа-

лизатора.

Теоретические

сведения

Диффузия

заряженных частиц в открытом пространстве

— это явление переноса этих частиц из одной части объема в

другую

в направлении падения электрохимического потен-

циала р вследствие теплового хаотического движения моле-

кул.

Электрохимический потенциал р — величина, численно

равная

энергии Гиббса одного моля данного вещества, поме-

щенного

в электрическое поле. Для слабых растворов р выра-

жается формулой:

р = ц

+ RTVnC + zF

<p;

p (Дж/моль) (1)

где

— потенциал электрического поля;

z — заряд иона;

— число Фарадея, равное заряду одного моля одновалент-

ных ионов;

— концентрация;

R — универсальная газовая постоянная;

— температура;

Но

— постоянная, равная энергии моля раствора, при С =

1 моль/л и ф = О.

Градиент электрохимического потенциала

grad

р = dp/dx —

это величина, численно равная изменению электрохимическо-

го потенциала на единицу расстояния (х):

Дж

dp _ d|i

RT dC dф dp

dx dx С dx dx dx

моль•м

(2)

d|i/dx

определяется тремя градиентами: градиентом элект-

рического потенциала dф/dx, градиентом концентрации dC/dx

градиентом

d|J.

/dx.

Диффузия

относится к пассивному транспорту веществ, то

есть, идет без затраты энергии и приводит к уменьшению и ис-

чезновению

d|i/dx

(а следовательно,

всех

трех

градиентов) и вы-

равниванию

электрохимического потенциала во всем объеме.

Уравнение Теорелла описывает диффузию заряженных час-

тиц

и имеет вид:

dp моль

m,q

= -U

•

— ; [J

m?q

] = ^g ' <

где

„ —

плотность потока заряженных частиц;

—

подвижность частиц;

—

концентрация;

dp /dx — градиент электрохимического потенциала.

Знак

минус показывает, что поток направлен в сторону убы-

вания

р.

Уравнение Нернста-Планка — это частный случай уравне-

ния

Теорелла для однородной среды (ц

^ f(x),

d|l

/dx

= 0). В

этом

случае

градиент электрохимического потенциала имеет

вид:

dp RT dC dq>

—

= + zF—-. (4)

dx С dx dx

Подставляя (4) в (З), получим уравнение Нернста-Планка:

dcp

=-URT-

—

UCzF

-^ • (5)

dx dx

Закон

Фика описывает диффузию незаряженных частиц и

является частным

случаем

уравнения Нернста-Планка при

Z=0

или Дф = 0.

Подставляя dcp/dx = 0 в (5) получим:

-URT-~-.

(6)

Так

как URT = D (коэффициент диффузии), имеем:

Для потока диффузии Ф

закон Фика имеет вид:

= J

-S = -D-S — ; [Ф

] = моль/с, (7)

где S площадь, перпендикулярная направлению потока.

^ моль/л

раствор

с,

мембрана

раствор

•

Рис.

1. Распределение концентрации вещества в случае полупроницаемой мем-

браны

Рассмотрим диффузию через мембрану. Закон Фика для

этого случая.

На

рис. 1 представлена биологическая мембрана.

По

одну сторону мембраны раствор имеет концентрацию

по

другую

— С

. Толщина мембраны — I. Внутри мембра-

ны

концентрации С™ у одной поверхности мембраны иС™ у

другой; С™ jt Cj, и С<|? * С

, так как природа растворов, омыва-

ющих мембрану, отличается от природы мембраны.

Отношение концентраций:

=к

где к — коэффициент распределения, который зависит от при-

роды вещества мембраны, веществ, омывающих мембрану и

рода диффундирующих частиц.

Коэффициент

распределения к может быть рассчитан

следующим образом. После окончания диффузии, при

наступлении равновесия выравниваются химические

потенциалы в растворе

и в мембране Ц

(

сл

чае

когда ф

= ф

, то есть Дф = 0):

м Р =м М

Н^хим

+RT/nC'

* С

, так как

ц™

- ц* =

RT(/nC

- /nC

)

Отсюда

Следовательно

Отсюда

С^ =

кС

;С2=

кС

Если

С|" * С??

внутри мембраны

создается градиент концентрации:

С?? - С? к(С

- Cj)

dx I I

Подставляя (8) в (6а) получим закона Фика для диффузии

через мембрану:

| (^2 ~ ^l)

P(^l ~ С^), (9)

где р = D

•

к/1 — коэффициент проницаемости мембраны. Если

р = 0 для какого-то вещества, то мембрана непроницаема для

данного вещества. Мембрана называется полупроницаемой,

если для одних веществ р = 0, а для

других

веществ р * 0.

Диализ — это явление избирательной диффузии через полу-

проницаемую мембрану. Диализ используется для разделения

опорная

пластина

опорная

пластина

полупроницаемые

Рис.

2. Схема диализатора

растворе высокомолекулярных и низкомолекулярных ве-

ществ, в частности, для внепочечного очищения крови от ток-

сических веществ (гемодиализ) у больных с острой и хрониче-

ской

почечной недостаточностью.

Диализатор — это основной

узел

аппарата "Искусственная

почка",

предназначенный для однократного применения. Уп-

рощенная

модель диализатора пластинчатого типа ДИП-02

представлена на рис. 2.

Принцип

работы диализатора.

В диализаторе полупроницаемая мембрана с одной стороны

омывается кровью, а с

другой

— диализатом (водным раство-

ром,

по ионному составу идентичным составу безбелковой

плазмы крови).

За

счет наличия градиента концентрации токсических ве-

ществ

между

веществом крови и диализатом происходит диф-

фузия

низко- и среднемолекулярных токсических веществ из

крови

в диализат через полупроницаемую мембрану.

При

выравнивании концентраций токсических веществ в

крови

и в диализате процесс диффузии прекращается, поэтому

Диализат

Диализатор

Вывод

диализата

Очищаемый

раствор

Вывод

очищаемого

\ раствора

Электроды

—

датчики

ионов

Рис.

3. Блок-схема установки

для полного очищения крови диализат нужно менять. Полу-

проницаемая

мембрана не пропускает высокомолекулярные

вещества (белки и форменные элементы крови), поэтому содер-

жание их в крови не изменяется.

Выполнение

работы

1. Описание установки и подготовка установки к работе.

Блок-схема установки представлена на рис. 3. Очищаемой

жидкостью (вместо крови) служит водный раствор NaCl

([NaCl]

= моль/л), а диализатом — водопроводная вода. Перед

началом работы необходимо включить ионометр ЭВ-74 и под-

готовить диализатор к работе.

Включение иономера.

а) При выключенном

тумблере

"сеть" нажать

кнопки:

"ани-

оны/катионы",

"рХ", "-1 + + 4".

б) Ручки "рХ" и "температура" установить в крайнее левое

положение.

в) Поместить электроды в чистую водопроводную

воду

подключить вспомогательный электрод к гнезду "всп", изме-

рительный — к гнезду "изм".

г) Включить прибор в сеть и дать ему прогреться в течение

30 минут.

2. Подготовка диализатора к работе,

а) Сначала для очищения пространства диализата в воронку

(см.

рис. 3) наливается чистая водопроводная вода (200 мл),

которая

свободно вытекает в стеклянную емкость.

б) Затем заполняется пространство, по которому должна дви-

гаться кровь, очищаемым раствором NaCl с концентрацией

моль/л. Для этого открывается зажим вывода для очищаемого

раствора, поднимается вверх емкость с очищаемым раствором и

пропускается 200 мл раствора в свободную емкость. После этого

зажим закрывается, а емкость с раствором опускается на стол.

3. Калибровка иономера.

а) Поместив электроды в раствор NaCl с концентрацией

моль/л ручкой "калибровка" установить стрелку на деление

"0"

шкалы "-1 + + 4".

б) После этого электроды промыть и поместить в чистую

воду.

Задание

1. Определение зависимости концентрации NaCl в

диализате от времени.

Сначала измеряется pNa чистой водопроводной воды с по-

мощью иономера

ЭВ-74

по шкале "-1

-*-

+ 4" и заносится в таб-

лицу. Затем в пространство, по которому движется диализат,

вливается 200 мл чистой водопроводной воды и начинается

процесс диффузии.

Вода

свободно вытекает из

другого

отвер-

стия в

отдельную

чистую

емкость и в ней определяется pNa.

Затем эта порция воды (диализата) снова вливается в прост-

ранство диализата и процесс диффузии продолжается. После

вытекания снова измеряется в нем pNa. Эта процедура повто-

ряется 4 раза.

Данные измерений заносятся в таблицу:

№

измерения

pNa

[ЫаС1]диал

1(0)

2(1t)

3(2t)

4(3t)

5(4t)

По

полученным данным pNa проводится расчет концентра-

ции

[NaCl] с помощью микрокалькулятора по формуле:

[NaCl] = г^— = 10"P

L J

lOP

Затем строятся графики зависимостей pNa = f(№ измер.) и

[NaCl]

flHajI

= f(№ измер.). Каждый № измерения — определен-

ный

отрезок времени диффузии (It, 2t, 3t, 4t).

Задание

2. Расчет зависимости С

диал

= f(t) и построение гра-

фика

этой зависимости.

Для выполнения этого задания необходимо использовать

решение дифференциального уравнения, полученного в при-

ложении.

(t) =

3,5

а) Провести расчет, считая

= 1 моль/л. Результаты запи-

сать в таблицу.

№

измерения

С диал(моль/л)