Приборы и материалы: аппарат для гальванизации, NaCl, вода

ТЕРМОДИНАМИКА
Диапазон температур на Земле от – 80Со до +85Со значительно превышает
границы, в которых возможна активная жизнь. Температура определяет
уровень активности животных и распространение. В открытом океане
температура поверхностных слоев воды от –2 Со до +30 Со. Процессы
жизнедеятельности возможны лишь в диапазоне от 0 до +40 Со. В неактивном
состоянии животные переносят температуры ниже 0, выдерживая даже
замораживание. Например, мелкие нематоды, тканевые культы (эпителиальная,
мышечная ткани и др.), простейшие при помещении в жидкий воздух (-197 Со)
застывают, а при быстром отогревании оживают. Ряд животных обитает в
горячих источниках, так отдельные виды водорослей и бактерий размножаются
в них при температуре до+70Со.
Температура, как мера скорости движения молекул, определяет скорость
химических реакций и является одним из факторов ограничивающих рост и
метаболизм.
Животные меняющие свою температуру вслед за изменением температуры
среды называют холоднокровными, или пойкилотермные (т.е. изменчивые,
лабильные). Температуры при этом не обязательно равна температуре среды, а
может быть несколько выше, особенно в активном состоянии. Так рыбы весом
около 40 г имеют мышечную температуры на 0.44Со выше, чем температура
воды.
Животные способные менять и регулировать температуру собственного
тела
- это теплокровные, гомойтермные животные. Это птицы и
млекопитающие. Постоянство температуры тела у них поддерживается за счет
теплопродукции, с помощью защитного поведения, изменений теплоизоляции,
кровообращения и других факторов, меняющих перенос тепла. Периоды
зимней спячки, или летаргии сопровождает снижение температуры тела, при
этом физиологический термостат переключается на более низкую температуру.
Сенсорные механизмы сообщают об изменениях температуры, вызывая
соответствующие защитные реакции.
Относительно небольшая часть животных, так называемые гетеротермные
животные способные к частичной регуляции температуры тела, которая
ограничивается либо какими-то областями тела, либо определенными
условиями среды. Таких животных много среди насекомых, например пчелы,
или муравьи, хотя большая часть членистоногих являются типичными
пойкилотермные организмами.
Температура любой активной клетки обязательно должна быть выше
температуры окружающей среды, так как при окислительных процессах и
гликолизе происходит выделение тепла. Температура тела животного зависит
от ряда факторов, влияющих на тепловой баланс организма противоположным
образом. Источником тепла может быть
метаболический термогенез
(эндотермия) или внешняя среда, главным образом солнечная энергия
(эктотермия).Теплоотдача
происходит
путем
излучения,
конвекции,
теплопроводности и испарения воды. Потерям тепла способствует циркуляция
1
крови от внутренних частей организма к внешней поверхности, а препятствует
теплоизоляция.
Термические свойства воды главным образом определяют тепловой баланс
организма. Теплопроводность воды – 0.0014 кал/(см*с*град), ниже чем у
металлов, но выше чем у других жидкостей (например, этиловый спирт 0.00042 кал/(см*с*град)).Удельная теплоемкость воды – 1,0 кал/(г*гад), для
этилового спирта -0,09 кал/(г*гад), а для большинства животных тканей от 0,07
кал/(г*гад) до 0,09 кал/(г*гад). Коэффициент температуропроводности равен
теплопроводности, деленной произведение удельного веса на удельную
теплоемкость. Низкая температуропроводность приводит к медленному
охлаждению или прогреванию тканей и ограничению распространения тепла в
организме. Хороший изолятор для животных – жир. Животные с большой
тканевой массой медленно согреваются и медленно охлаждаются, передачу
тепла в организме осуществляют циркулирующие жидкости.
Испарение воды охлаждает любую поверхность, так для испарения 1 г воды
при 20оС затрачивается 585 кал. Большинство наземных животных используют
это для предотвращения перегревания тела.
Биологическая кинетика изучает скорость биологических процессов и
зависимость их от концентрации веществ, участвующих в биохимических
превращениях, а также зависимость от внешних условий, в частности от
температуры. Такая зависимость понятна, если учесть, что любое химическое
превращение происходит при условии соударения молекул, пребывающих в
беспорядочном тепловом движении. По мере повышения температуры
увеличивается длина пробега молекул, а тем самым, и вероятность их
соударения друг с другом. Таким образом, относительное количество молекул,
способных вступить в реакции, или как принято говорить, активных молекул, с
повышением температуры увеличивается, а само скорость реакции возрастает.
Величину, показывающую во сколько раз увеличивается количество
активных молекул, следовательно, и скорость реакции, при повышении
температуры на 100С, называют температурным коэффициентом и обозначают
символом Q10.
Vт2
(1)
Q10= Vт1 ,
где Vт1 – скорость реакции при начальной температуре,
Vт2 – скорость реакции при увеличении температуры на 100С.
Между величиной температурного коэффициента реакции 10 0С и той
избыточной энергией, которой должны обладать молекулы, чтобы их
соударение привело к
химической реакции (так называемой энергией
активации – Е ) существует зависимость, которую выражают формулой:
(2)
Е = 0,46 Т1 * Т2 * lgQ10 ,
где Е – энергия активации в ккал-моль,
Т1 и Т2 – температуры, выраженные в градусах абсолютной шкалы и
отличающиеся друг от друга на 100С, т.е. Т2 = Т1 + 100,
lgQ10– десятичный логарифм температурного коэффициента Q10.
2
Из этого выражения видно, что при повышении температуры на 10 оС число
молекул, энергия которых превышает критическую может удвоиться, хотя
прирост кинетической энергии, пропорциональной абсолютной температуре,
будет гораздо меньше. В биологическом диапазоне температура величин Q10
для многих метаболических реакций лежат в пределах от 2 до 2,5. В тоже
время некоторые сложные изменения скоростей физиологических процессов,
например циркадные ритмы, относительно независимы от температуры, а
величина Q10 для потребления кислорода ряда пойкилотермных животных
лежит между 1 и 2. Сравнивая потребления кислорода у животных в покое и
активном состоянии можно определить характерные для этого уровни обмена
при различных температурных условиях. У моллюска Cаrdium величины Q10
для активного состояния и покоя равны соответственно 1,84 и 1,20. Для многих
беспозвоночных принизких температрах характерны невысокие величины Q10.
Температурные характиеристики ферментативных реакций могут понижаться
по мере понижения концентрации субстрата до лимитирующего уровня, тогда
измерения температурного коээфициента теряет смысл. Поэтому в случае
сложных реакций
с параллельными и последовательными этапами, с
противоположным влиянием на Q10 становятся не возможными попытки
элементарного анализа температурного коэффициента. И все же, в
биологических исследованиях адаптации и акклиматизации животных к
различным условиям внешней среды широко применяется изучение и
определение Q10.
Лабораторная работа № 1
Определение температурного коэффициента
и вычисление энергии активации сердца лягушки
Цель работы: Экспериментально убедиться в
соблюдении
физикохимических закономерностей в живом организме.
Задачи: 1. Провести подсчет сердечных сокращений
при комнатной
температуре;
2. Провести подсчет сердечных сокращений
при повышении
о
температуры на 10 С ;
3. Провести подсчет сердечных сокращений
при понижении
о
температуры на 10 С ;
4. Рассчитать по формулам температурный коэффициент и энергию
активации.
5. Сделать выводы о наблюдаемых явлениях и подготовить отчет.
Приборы и материалы:
Термометр в диапазоне от 0 до 300С, сосуд для сердца объемом на 50мл,
термостат или термостатирующий сосуд объемом не менее 500 мл, лед, горячая
вода, раствор Рингер-Локка для хладнокровных, секундомер, препаравальный
инструмент (ножницы, скальпель, препаравальные иглы, пинцеты, марля.
3
Ход работы:
Для выполнения работы необходима регистрация ритма сокращений
сердца лягушки при двух или трех различных температурах, отличающихся
друг от друга на 100С.
После обездвиживания лягушки извлекают сердце из грудной полости и
помещают в заранее подготовленный сосуд, заполненный на 2/3 раствором
Рингер-Локка для хладнокровных.
Первый подсчет делают через5-7 минут после извлечения. Количество
сердечных сокращений за 1 минуту определяют 3-4 раза и вычисляют среднюю
величину числа сердечных сокращений в минуту. Определяют температуру
при комнатных условиях.
Затем сосуд с сердцем переносят в термостат, в котором температура на
0
10 С выше, чем в комнате. Через 3-5 минут проводят определение числа
сердечных сокращений в минуту, усредняя как и при комнатных условиях, 3-4
подсчета.
Вновь переносят сосуд с сердцем в комнатные условия и прослеживают
восстановление исходного ритма сокращений сердца. Опять через 3-5 минут
определяют число сердечных сокращений в минуту, усредняя как и ранее 3-4
подсчета.
Потом сердце помещают в камеру, охлаждаемую смесью воды со льдом,
и когда температура станет на 100С меньше, чем в комнатных условиях, вновь
начинают подсчет частоты сердечных сокращений в минуту. Проводят 3-4
подсчета, результаты которых усредняют.
Вновь переносят сосуд с сердцем в комнатные условия и прослеживают
восстановление исходного ритма сокращений сердца. Опять через 3-5 минут
определяют число сердечных сокращений в минуту, усредняя как и ранее 3-4
подсчета.
Все данные вносят в таблицу.
Услови
Vт2
Q10=
Кол-во
я
опыта
темпер
атура
Vт1
сокращний
1
4
Vт1
V 1..ком.низ.
0
Vт2
Q10=
Vт2
Q10=
Vт1
2. низ. ком.
Vт2
Q10= Vт1
4..терм.- ком
31.ком.
Е = 0,46 Т1 *
Т2 * lgQ10 ,
энергия
активации
-терм.
С
1.ком.t
=
2
низ..t=
3.ком.t
=
4
терм..t=
5..ком.t
Е сред =
=
4
3
1
На рисунке 1 – сосуд с раствором Рингер-Локка,
2 – сердце лягушки,
3 - термометр, опущенный в сосуд с
сердцем.
ПРИМЕР: В опыт было установлено, что
0
сердце лягушки 18 С (Т1 =273 + 18=291)
совершает 31 сокращение в минуту, а при
0
28 С (Т2 =273 + 28=301) 60 сокращений в
минуту. Отсюда Q10 =60/31=1,9.
По таблице Брадиса находим значение
значения в формулу (2),
Q10= 0,27875. Подставив соответствующие
определяем
численное выражение значения энергии
активации: Е=0,46 * 291*301*0,27875= 11,239 ккал/моль.
Лабораторная работа № 2
Определение температурного коэффициента и вычисление энергии
активации дыхания веточки элодей
Цель работы: Экспериментально убедиться, что физико-химические
закономерности соблюдаются в живом организме.
Задачи: 1. Провести подсчет пузырьков газа при комнатной температуре;
2. Провести подсчет пузырьков газа при повышении температуры на 10 Со;
3. Провести подсчет пузырьков газа при понижении температуры на 10 Со;
4. Рассчитать по формулам температурный коэффициент и энергию активации.
5. Сделать выводы о наблюдаемых явлениях и подготовить отчет.
Приборы и материалы: Элодея в маленьком сосуде, сосуды большего
объема с термостатированной температурой большей и меньшей комнатной на
10 Со; термометры, секундомер, таблицы Брадиса.
Ход работы:
Для выполнения работы
необходима
регистрация выделения
пузырьков кислорода, образуемого элодеи для двух или трех различных
температурах, отличающихся друг от друга на 100С.
Элодея это типичная для большинства аквариумов водоросль, которая
при достаточном освещении выделяет пузырьки газа кислорода с кончиков
листьев. Визуально можно вести их подсчет, определяя количество
пузырьков, выделяемых одним растением.
Первый подсчет делают через5-7 минут после термостатирования
емкости с водрослью. Для этого небольшой сосуд с элодеей помещают в
больший по объему сосуд с фиксированной температурой. Подсчитывают
количество
выделяемых пузырьков газа
за 1 минуту. Повторяют
5
определение 3-4 раза и вычисляют среднюю
температуру при комнатных условиях.
величину. Определяют
Затем сосуд с водорослью переносят в термостат, в котором
температура на 100С выше, чем в комнате. Через 3-5 минут проводят
определение числа выделяемых пузырьков, усредняя как и при комнатных
условиях, 3-4 подсчета.
Вновь переносят сосуд с водорослью
в комнатные условия и
прослеживают восстановление исходного ритма выделения пузырьков газа.
Опять через 3-5 минут определяют количество выделяемых пузырьков,
усредняя, как и ранее 3-4 подсчета.
Потом проводят такие же замеры с понижением температуры на 100С
Все данные вносят в таблицу.
Кол-во
Vт2
Vт2
Vт2
Vт2
Е = 0,46 Т1 * Т2 *
lgQ10 ,
сокращний
Q10=
Vт1
Q10=
Vт1
Q10=
Vт1
Q10=
Vт1
энергия
темпер
1..ком.-
2. низ. -
31.ком.-
4..терм.-
атура
низ.
ком.
терм.
ком
Услови
я
опыта
1
0
4
V
активации
С
1.ком.t
=
2
низ..t=
3.ком.t
=
4
терм..t
=
5..ком.t
Е сред =
=
ПРИМЕР.
0
В опыт было установлено, что при 18 С (Т1 =273 + 18=291) выделяется 31 пузырек в
0
минуту, а при 28 С (Т2 =273 + 28=301) 60 в минуту. Отсюда Q10 =60/31=1,9. По таблице
Брадиса находим значение Q10= 0,27875. Подставив соответствующие значения в формулу
(2) определяем численное выражение значения энергии активации:
Е=0,46 * 291*301*0,27875= 11,239 ккал/моль.
6
Вопросы:
1. Как называют зависимость, которую выражают формулой
Е = 0,46 Т1 * Т2 * lgQ10?
2. К какому типу термодинамических систем можно отнести живой организм?
3. Почему наша планета Земля является термодинамической открытой
системой?
4. Какие животные регулируют температуру своего тела исключительно за
счет гомеостатической регуляция температуры тела (изменения обменных
процессов) и изменения поведения.
5. Что называют энергией активации – Е?
6. Приведите примеры теплокровных и хладнокровных животных.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
Химически чистая вода частично диссоциирует на ионы:
Н2О  H+ + OHОбразующийся при этом ион Н+ быстро гидратируется (присоединяет к себе
молекулу воды), образуя ион гидроксония Н3О+. Однако для простоты вместо
гидроксония говорят о водородном ионе. Закон действия масс, примененный к
диссоциации воды любого водного раствора, выражается таким уравнением:
К
[ H  ]  [OH  ]
,
[ H 2O ]
(1)
где К - константа диссоциации воды или ее раствора.
Константа диссоциации воды при 22С равна 1,810-16, то есть степень
диссоциации воды очень мала. Поэтому концентрацию недиссоциированных
молекул [H2O] можно считать величиной постоянной. При выражении ее в
молях на 1 л получается:
[ H 2O ] 
1000
 55,56 моля в 1 л.
18
(2)
Из формулы (1) следует:
[H+][OH-] = [H2O]K = 55,56K = Kв.
(3)
Таким образом, для воды и любых водных растворов при неизменной
температуре произведение концентраций ионов водорода и гидроксила есть
величина постоянная, называемая ионным произведением воды. Если в
уравнение (3) вместо К подставим его значение, равное 1,810-16, то для ионного
произведения при температуре 22С будем иметь:
Кв = 55,561,810-16 = 10-14
(4)
При диссоциации воды образуется одинаковое количество ионов водорода
и гидроксила; следовательно, концентрация обоих ионов в дистиллированной
воде при 22С будет:
[H+] = [OH+] = 1014 = 10-7 (гион/л)
(5)
т.е. 0,1 микрограмма на 1 л.
7
Поскольку концентрации ионов водорода и гидроксила связаны между
собой ионным произведением, они являются величинами сопряженными.
Поэтому любое повышение концентрации Н+ влечет за собой соответствующе
уменьшение концентрации ОН- и наоборот. Концентрацию одного из ионов
можно определить, зная концентрацию другого. Из формулы (5)
[H  ] 
1014
1014

.
;
[
OH
]

[OH  ]
[H  ]
(6)
Следовательно, кислотность, щелочность и степень окисленности и
щелочности раствора зависят от наличия и концентрации ионов Н+. Если
концентрация Н+ ионов будет равна концентрации ОН- ионов, то раствор
называется нейтральным. В случае, если [H+][OH-], раствор называется
кислым, при [H+] [OH-]- щелочным.
Для характеристики кислотности или щелочности раствора достаточно
вычислить концентрацию одного иона. Обычно (как это принято
международной конвенцией) определяют концентрацию Н+ (гэкв/л). Так как
концентрация ионов водорода, с какой имеют дело на практике, мала, то для
удобства при записях и вычислениях реакцию раствора выражают символом
рН.
рН = -lg[H+], то есть водородный показатель - это отрицательный
десятичный логарифм концентрации водородных ионов. Этот символ был
введен в 1909 году Серенсеном. Реакцию среды всех растворов от
сильнокислых до сильнощелочных можно выразить единой шкалой рН,
находящейся в пределах от 0 до 14.
Например, рН = 0 означает, что [H+] = 100 = 1, т.е. в 1 л раствора
содержится 1 г ионов водорода в 1 л и т.д.
При определении реакции среды не следует забывать, что на величину рН
растворов существенным образом влияет температура, что зависит от
возрастания степени диссоциации воды с её увеличением.
Каждый ион играет определенную роль в биологических и химических
процессах. Особое положение среди других ионов занимают водородные ионы.
Они имеют существенное значение для ферментативной активности. Каждый
фермент имеет оптимум своего действия при определенном значении рН, когда
скорость ферментативной реакции будет максимальной. Иногда оптимум рН
выражен очень резко, и действие фермента проявляется лишь в узкой области
значений рН. Ферменты как белки обладают электрическим зарядом, поэтому
их структура зависит от величины рН. Концентрация водородных ионов
оказывает огромное влияние за жизнедеятельность организмов, на
функциональную деятельность отдельных животных и тканей высших
животных и человека. Дифтерийный микроб лучше развивается при рН в
пределах 7,3-7,6; микроб кишечной палочки - при рН=6-7; активная фиксация
азота почвенными микробами наблюдается при рН=7,2. Гибель теплокровных
животных наступает при сдвиге рН крови на 0,03-0,04 единицы (рН крови в
норме 7,350,02). Реакция мочи (рН мочи) в норме при смешанной пище
кислая или нейтральная (рН в пределах 5,0-7,0). Реакция должна определяться в
8
свежей моче. Преобладание в пище животных белков дает сдвиг в сторону
кислой, а преобладание растительной пищи - в сторону щелочной реакции.
Резко кислая реакция отмечается при лихорадочных состояниях, диабете,
голодании, недостаточности почек и т.д. Щелочная реакция мочи наблюдается
при циститах и пиелитах, гематурии, после рвоты и поноса, при рассасывании
экссудатов, при приеме соды, минеральной воды.
Под влиянием водородных ионов могут измениться основные физикохимические свойства веществ и растворов: растворимость, поверхностное
натяжение, вязкость, устойчивость, осмотическое давление, набухание и др.
Все сказанное и является причиной частого определения концентрации
водородных ионов в химии, биологии, медицине, сельском хозяйстве и технике.
Рисунок 1. Схема измерения величины рН раствора
1 – полый шарик из электронного стекла; 2 - стеклянный электрод;
3 – внутренний контактный электрод; 4 – вспомогательный электрод;
5 – электролитический ключ; 6 – пористая перегородка; 7 – рН-метр
Для измерения величины рН используется система со стеклянным и
вспомогательным электродами (рис.1). При погружении электрода в раствор
между поверхностью шарика 1 стеклянного электрода и раствором происходит
обмен ионами, в результате которого ионы лития в поверхностных слоях стекла
замещаются ионами водорода, и стеклянный электрод приобретает свойства
водородного электрода.
Между поверхностью стекла и контролируемым раствором возникает
разность потенциалов Ех, величина которой определяется активностью ионов
водорода в растворе и его температурой.
9
Ex  E0 
RT
RT
ln  h  E0  2,3
pH ,
F
F
где н - активность ионов водорода в растворе; Е0 - потенциал стеклянного
электрода по отношению к стандартному водородному электроду при н =1.
Для создания электрической цепи при измерении применяются контактные
электроды: внутренний контактный электрод
3, осуществляющий
электрический контакт с раствором, заполняющим внутреннюю часть
стеклянного электрода, и внешний контактный электрод (так называемый
вспомогательный электрод) 4, осуществляющий электрический контакт с
контролируемым раствором.
Для защиты от воздействия высоких температур (при измерении рН
растворов, температура которых выше температуры окружающего воздуха)
вспомогательный электрод помещают вне контролируемого раствора, и связь с
ним осуществляется с помощью электролитического ключа 5 - трубки,
заканчивающейся пробкой со стеклянным волокном 6.
Раствор хлористого калия непрерывно просачивается через стеклянное
волокно пробки, предотвращая проникновение из контролируемого раствора в
систему электрода 4 посторонних ионов, которые могли бы изменить величину
потенциала электрода.
Электродвижущая сила электродной системы равна алгебраической сумме
потенциалов контактных электродов Ек и Евсп, потенциала, возникающего на
внутренней поверхности стеклянного электрода и определяемого величиной рН
внутреннего раствора Евн и потенциала, возникающего на наружной
поверхности стеклянного электрода Ех. Величины Ек, Евсп и Евн не зависят от
состава контролируемого раствора и меняются только при изменении
температуры. Суммарная электродвижущая сила электродной системы линейно
зависит от величины рН раствора. Измеряя э.д.с. электродной системы с
помощью электронного милливольтметра 7, шкала которого градуирована в
единицах рН, определяют величину рН контролируемого раствора.
Лабораторная работа № 3
Определение значения рН различных растворов
и биологических жидкостей
Цель работы: Научиться проводить измерения рН различных биологических
жидкостей
Задачи: 1. Определить величину рН биологических и небиологических
жидкостей.
2. Рассчитать по формулам среднею арифметическую величину рН для каждой
жидкости, оибку среднего арифметического и оценить вероятную погрешность
измерения.
3. Сделать выводы о наблюдаемых явлениях и подготовить отчет.
Приборы и материалы:
рН-метр, азотная кислота, щелочь, растворы белков, желудочный сок, моча,
дистиллированная вода, сосуды для анализируемых растворов.
10
Ход работы:
1. Тщательно промыть электроды; о чистоте электродов судят по значению
рН дистиллированной воды. Электроды можно использовать для исследования
в том случае, если значение рН дистиллированной воды близко к 6,0-6,3.
2. Определить величину рН следующих растворов: желудочный сок,
разбавленный (в 5 раз) желудочный сок, раствор белка, кислый раствор,
щелочной раствор, водопроводная вода, дистиллированная вода. Измерение
значения рН анализируемого раствора надо проводить минимум в трех
повторностях. Перед заменой анализируемого раствора электроды тщательно
промывают. Полученные величины рН исследуемых растворов заносят в
таблицу.
Величина рН
Первое
Второе
измерение измерение
Раствор
Третье
измерение
Среднее
значение
Дистиллированная вода
Водопроводная вода
Щелочной раствор
Кислый раствор
Раствор белка
Сок
Разбавленный сок
Моча
На основании полученных данных необходимо указать, от чего зависит
конкретное каждого раствора.
Вопросы:
1. Почему при исследовании жидкостей необходимо иметь два электрода:
вспомогательный и стеклянный?
2. Почему можно проградуировать шкалу милливольтметра в значениях
рН, а не в милливольтах?
3. Активность каких ионов определяет величину э.д.с. на электродах?
4. Напишите формулу диссоциации воды
5. Какой диапазон рН щелочных растворов?
6. Какой диапазон рН кислых растворов?
7. Какой величины рН дистилированной воды?
БУФЕРНЫЕ СВОЙСТВА И БУФЕРНАЯ ЁМКОСТЬ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Постоянство концентрации водородных ионов крови и других жидкостей
организма обеспечивается рядом механизмов. Несмотря на многочисленные
процессы, в результате которых может измениться реакция внутренней среды,
рН является постоянной величиной. У теплокровных животных постоянство рН
11
внутренней среды поддерживается в течение жизни в очень узких пределах,
отклонения не превышают 0,03-0,04 ед. (у человека рН крови равен 7,350,02).
Сдвиг реакции среды приводит к изменению многих физико-химических
показателей белков, белковолипоидных, белковонуклеиновых комплексов –
величины зарядов, степени гидратации, устойчивости коллоидов, вязкости,
электропроводности и т.д. Изменение протекания биохимических реакций
приводит к нарушению сопряженности многих биохимических процессов, что
может быть причиной гибели организма.
Однако в нормально функционирующем живом организме в кровь
непрерывно поступают кислые продукты из работающих органов и желудочнокишечного тракта. Продукты щелочной реакции поступают в организм в
основном с пищей. Для поддержания постоянства внутренней среды организма
имеются буферные системы, которые нейтрализуют как кислые, так и
щелочные поступившие в кровь продукты, устойчиво поддерживают реакцию
среды (концентрацию водородных ионов) на определенном уровне. Буферные
системы представлены белками или системами, состоящими из слабой кислоты
и соли сильного основания данной кислоты. (Н2СО3 и NaHCO3; H3PO4 и
Na2HPO4; H3PO4 и Na3PO4 и т.д.).
Основная роль в организме принадлежит белкам, которые являются
амфотерными соединениями, а из белков крови особую роль играет
гемоглобин, которого в крови человека содержится до 14% от ее веса. На
втором месте стоит карбонатная система, на третьем – фосфатная буферная
система.
Разумеется, каждая буферная система может поддерживать постоянство рН
в определенных пределах, что зависит от ее буферной емкости. Под буферной
емкостью понимают то количество 0,1н. Кислоты или щелочи, которое
необходимо, чтобы сдвинуть рН на единицу. Щелочного буфера в сыворотке
крови содержится примерно в 5 раз больше, чем кислотного, то есть кислоты
может нейтрализоваться в 5 раз больше, чем щелочи. Это означает, что
организм лучше защищен от нарушений при поступлении в кровь кислых
продуктов.
При смещении рН крови в кислую среду говорят об алкалозе крови, и при
смещении в щелочную об ацидозе. Алколоз крови как и ацидоз развиваются
при серьезных поражениях различных систем органов, свидетельствующих о
степени патологических изменений не только со стороны
сердечнососудистой, выделительной или дыхательной систем, но и о патологических
процессах в печени. Смещение рН крови позволяет делать прогноз при
лечении различных заболеваний и оценивать эффективность принимаемых
лекарственных препаратов. Это одна из основных констант гомеостаза
организма человека.
12
Лабораторная работа № 4
Определение щелочного и кислотного буферов сыворотки крови
Приборы и материалы:
РН-метр, бюретки на 1 и 50 мл, стаканчики на 50 мл, 0,1 н. растворы
соляной кислоты и едкого калия или натрия, 0,02% раствор метилоранжа,
0,1%-ный спиртовый раствор фенолтфталеина, сыворотка крови.
Задание 1. Определение щелочного буфера
Ход работы. В стаканчик налить 5 мл дистиллированной воды и 2-3 капли
индикатора-метилоранжа, который имеет зону перехода рН=3,1-4,4. Титровать
по каплям из бюретки 0,1н. раствором соляной кислоты до появления слабокрасного окрашивания (1 капля кислоты).
Во второй стаканчик налить 5 мл дистиллированной воды, добавить 1 мл
сыворотки и 2-3 капли метилоранжа и титровать до такого же окрашивания;
отсчитать количество капель или определить объем 0,1 н. раствора соляной
кислоты, пошедшей на титрование.
Расчет: для подкисления 5 мл воды ушло А мл 0,1 н. раствора соляной
кислоты (1 капля - 0,03 мл 0,1 н. раствора соляной кислоты или щелочи). При
добавлении 1 мл сыворотки пошло В мл соляной кислоты. Следовательно, на 5
мл сыворотки пойдет (В-А  5мл 0,1 н. раствора соляной кислоты). В расчетах
буферную емкость воды можно не учитывать. Сделать расчет на 100 мл
сыворотки, что и будет величиной ее буферной емкости.
В норме к сыворотке крови надо прибавить в 250-300 раз больше соляной
кислоты, чем к воде.
Задание 2. Определение кислотного буфера
Ход работы. В стаканчик налить 10 мл дистиллированной воды и добавить
2-3 капли фенолфталеина; зона перехода рН=8,9-9,8. Титровать 0,1 н.
раствором едкого натрия до появления неисчезающего слабо-фиолетового
окрашивания (обычно 1-2 капли).
Во второй стаканчик налить 10 мл дист. воды, добавить 1 мл сыворотки и 23 капли фенолфталеина. Титровать 0,1 н. раствором едкого натрия до той же
окраски, что и в первом случае, отсчитывая количество капель или измеряя
объем.
Для определения зоны перехода можно вместо растворов индикатораметилоранжа и фенолфталеина использовать обычные бумажные индикаторы.
Для работы лучше использовать свежеприготовленные растворы индикаторов.
Данные внести в нижеприведенную таблицу и произвести расчет.
Например: Для изменения (смещения) реакции 10 мл дистиллированной
воды необходимо Д капель щелочи. При добавлении 1 мл сыворотки на
нейтрализацию кислотного буфера идет Е мл, тогда на 10 мл сыворотки
потребуется 10(Е-0,03Д) мл щелочи. Обычно к сыворотке надо прибавить в
50-60 раз больше щелочи, чтобы вызвать одинаковое изменение реакции.
13
Определение щелочного и кислотного буферов сыворотки крови
5 мл дист.воды
5 мл
дист.воды+
1 мл
сыворотки
На
5
сыворотки
мл Щелочной буфер
(во сколько раз)
Количество 0,1
н.раствора HCl,
пошедшего
на
титрование
10
дист.воды
мл
10
мл
На 10
дист.воды+
1 сыворотки
мл сыворотки
мл
Кислотный
буфер
(во
сколько раз)
Количество
0,1
н.раствора
KOH,
пошедшего
на
титрование
Лабораторная работа № 5
Определение буферной емкости биологических жидкостей
при помощи рН-метра
Задание 1. Определение буферной емкости сыворотки крови или мочи
Ход работы: первоначально необходимо определить рН биологической
жидкости, затем титруют исследуемый раствор (объем 100 мл) малыми
порциями кислоты или щелочи и записывают то количество реактива, которое
необходимо для изменения рН на 0,1 единицы шкалы. Титруют до тех пор,
пока реакция среды не изменится на 2 единицы рН (концентрация ионов
водорода изменилась по отношению к первоначальной в 100 раз). Для расчетов
собственной буферной емкости берут то количество реактива, которое
необходимо для изменения рН на единицу, т.е. концентрация ионов водорода
должна измениться в 10 раз.
Изменение рН до 7,2 и 7,55 является признаком тяжелейшего состояния,
обычно заканчивающегося смертью организма. Необходимо знать не только
величину буферной емкости при отклонении концентрации в 10 раз от
нормального значения, но гораздо важнее знать то количество кислоты и
щелочи, которое необходимо для отклонения рН среды до значения 7,2 и 7,5.
Кроме того, важно знать ход кривой зависимости рН от количества титруемого
вещества (кислоты и щелочи). С этой целью необходимо снять зависимость
изменения рН растворов (белка, сыворотки крови, молока, мочи) от количества
добавляемой децинормальной кислоты или щелочи. Титрование следует
проводить до достижения значений рН 10-11,0 в щелочной области и до 2,0-1,5
в кислой.
По полученным данным построить график зависимости величины рН от
количества реактива.
14
Рисунок 3. Определение буферной емкости крови
14
12
10
рН
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
мл
Обозначения: по оси абсцисс – количество добавленного 0,1 н. раствора
NaOH или HCl, по оси ординат – значение рН.
Задание 2. Определение буферной емкости гемоглобина крови
Ход работы: Взять 1 мл эритроцитарной массы (кровь центрифугировать
20 минут при скорости 5000 оборотов в минуту), дважды отмытой
физиологическим раствором или 5,4%-ной глюкозой, или 10,3%-ным раствором
сахарозы, и добавить к 10 мл дистиллированной воды с предварительно
измеренным рН. При помощи рН-метра измерить концентрацию водородных
ионов после наступления полного осмотического гемолиза эритроцитов
(появляется довольно интенсивное окрашивание в красный цвет, и раствор
становится полностью прозрачным). Если гемолиз протекает медленно, можно
повысить температуру в стаканчике до 40-50С. Затем произвести титрование
0,1 н. раствором HCl. Взять новую порцию эритроцитарной массы,
гемолизировать и оттитровать 0,1 н. раствором и NaOH до сдвига рН на 1.
Произвести пересчет на 100 мл эритроцитарной массы. Это и будет величиной
щелочной и кислотной буферной емкости соответственно.
Впросы:
1. Какие буферные системы крови вы знаете?
2. Распишите реакции диссоциации гемоглобина
3. Распишите реакции карбонатной буферной системы крови
4. Объясните биологический смысл необходимости постоянство рН
5. Как называется процесс изменения эритроцитов при помещении их в
гипертонический раствор?
6. При каких изменениях рН крови наблюдается ацидоз?
7. При каких изменениях рН крови наблюдается алкалоз?
8. Какие буферные системы обеспечивают постоянство рН крови.
15
Лабораторная работа № 6
Определение рН кисломолочных продуктов
при помощи рН-метра
Приборы и материалы: РН-метр, бюретки на 1 и 50 мл, 8-10 стаканчиков
на 50 мл, 0,01 н. раствор серной кислоты, дист. воды, кефир (или любой другой
кисломолочный продукт)
Задание 1. Определение рН раствора серной кислоты различной
концентрации
Ход работы: первоначально необходимо определить рН 0,01 н. раствор
серной кислоты. Затем приготовить разведения в два, четыре и в восемь раз, и
провести измерения. Построить график рН исследуемого раствора от его
концентрации.
Задание 2. Определение рН раствора кисломолочных продуктов различной
концентрации
Ход работы: первоначально необходимо определить рН исходного
кисломолочного продукта. Затем приготовить разведения в два, четыре и в
восемь раз, в десять раз и провести измерения. Построить график рН
исследуемого раствора от его концентрации.
Объяснить наблюдаемые результаты и различия в графиках.
Почему при разведении кисломолочных продуктов рН растворов
меняется мало, а при разведении серной кислоты (или соляной) в 10 раз
происходит заметное изменение рН.
Определение рН
Значения рН
Исходное
Разведение 1/2
Разведение 1/4
Разведение 1/8
Разведение 1/10
Разведение 1/20
Серная
кислота
Молочный
продукт
Вопросы:
1. Какие вещества обладают буферными свойствами?
2. Распишите реакции диссоциации пептида.
3. Распишите реакции диссоциации серной кислоты, почему у нее нет
буферных свойств?
4. Объясните биологический смысл необходимости постоянство рН как
внутри каждой клетки, так во всех жидких средах организма.
16
ФОТОБИОЛОГИЯ
Гемоглобин - основной компонент эритроцитов. В одном эритроците
содержится около 280 миллионов молекул гемоглобина, каждая из которых
состоит примерно из десяти тысяч атомов водорода, углерода, азота, кислорода,
серы и железа.
Основная функция гемоглобина - обратимое связывание молекулярного
кислорода и доставка его во все клетки организма. Молекулярный вес его,
определенный разными методами, оказался равным 66000 - 68000.
Гемоглобин - представитель гемопротеидов, т.е. группы сложных белков.
Молекула его состоит из четырех полипептидных цепей, которые разделяются
на две группы: 2- и 2-полипептидные цепи. Все четыре цепи гемоглобина
очень сходны между собой по форме. Форма и функция гемоглобинов
различных животных сходны, однако аминокислотный состав их отличается
тем сильнее, чем более эволюционно они удалены друг от друга.
Гем только в связи с нативным глобином способен лабильно связывать
кислород. При поглощении кислорода -цепи гемоглобина сближаются, при
отдаче его - расходятся. Положение -цепей при этом не меняется.
Следовательно, присоединение и отдача кислорода молекулой гемоглобина
сопровождаются изменением ее структуры, что приводит к изменению спектра
поглощения гемоглобина. Присоединив модекулу кислорода, гемоглобин
переходит в оксигенированную форму.
К распространенным производным гемоглобина относятся также
метгемоглобин и карбоксигемоглобин. В метгемоглобине железо находится в
трехвалентном состоянии, в то время как в диоксигенированном и в
оксигенированном гемоглобине - в двухвалентном. Значительное количество
метгемоглобина появляется в крови облученных животных, что представляет
для их жизни большую опасность. Обнаружено также, что метгемоглобин
образуется и при выдерживании на воздухе растворов окигемоглобина.
Гемоглобин обладает большим сродством к угарному газу (СО), переходя при
взаимодействии в карбоксигемоглобин, не обладающий способностью
обратимо присоединять кислород. В основе отравления людей угарным газом
лежит образование в их крови значительных количеств карбоксигемоглобина,
что приводит к гипоксии организма.
Каждая форма гемоглобина характеризуется определенным спектром
поглощения, представляющим собой зависимость оптической плотности
растворов от длины волны света.
Следовательно, по изменению спектральных полос поглощения можно
судить о структурных превращениях молекул гемоглобина. Для исследования
спектров поглощения веществ применяют специальные приборы спектрофотометры. В настоящей разработке для исследования оптических
свойств гемоглобина использовался фотоэлектрокалориметр. Выбор его
обусловлен тем, что фотоэлектрокалориметр является наиболее доступным
прибором для небольших лабораторий, также его можно использовать в
качестве нефелометра. Известно, что при хранении растворов гемоглобина
17
прозрачность их уменьшается, что приводит при спектрофотометрировании к
увеличению оптической плотности за счет роста светорассеяния в его
растворах.
Светорассеяние является функцией величины и числа частиц, находящихся
в растворе, и позволяет судить о процессах изменения структуры веществ, и в
частности белков, под воздействием определенных факторов. Наиболее
интенсивной полосой в спектре поглощения гемоглобина является полоса Соре,
принадлежащая порфириновой части его молекулы. По изменению положения
и интенсивности поглощения этой полосы можно судить о структурных
изменениях молекул различных форм гемоглобина.
Фотометрические
измерения
могут
быть
выполнены
на
фотоэлектроколориметре, также на спектрофотометрах.
Лабораторная работа № 7
Изучение
работы
фотоэлектроколориметра.
градуировочной кривой для исследуемого вещества
Построение
Приборы и принадлежности:
колориметр фотоэлектрический
концентрационный КФК-2МП, пипетки на 5 и 1 мл, растворы метиленовой
сини следующих концентраций: 0,0005%, 0,0006%, 0,00075%, 0,001%,
0,00125%, 0,0015%, 0,0025%, 0,005%.
Цель работы:
Колориметр
фотоэлектрический
концентрационный
КФК-2МП
предназначен для измерения отдельных участков диапазона длин волн 315-980
нм, выделяемых светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической
плотности жидкостных растворов и прозрачных твердых тел, а также
измерения концентрации веществ в растворах после предварительного
определения пользователем градуировочной характеристики.
Принцип действия колориметра основан на поочередном измерении
светового потока, прошедшего через растворитель или контрольный раствор,
по отношению к которому производится измерение, и потока, прошедшего
через исследуемую среду.
Световые потоки фотоприемниками преобразуются в электрические
сигналы, которые обрабатываются микро-ЭВМ колориметра и представляются
на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности,
концентрации, активности.
Описание установки. Колориметр состоит из колориметрического (1) и
вычислительного (2) блоков и блока питания (рис. 2).
В колориметрический блок входят: осветитель, узел оптический,
светофильтры,
кюветное
отделение,
кюветодержатель,
устройство
фотометрическое с усилителем постоянного тока и элементами регулирования.
Светофильтры в световой пучок вводятся ручкой 6.
В кюветодержатель устанавливаются кюветы с исследуемым раствором и
контрольным раствором. Ввод в световой пучок одной или другой кюветы
соуществляется поворотом ручки 4 до упора влево или вправо (до положения 1
18
или 2). В положении "1" в световой пучок вводится кювета с растворителем, в
положении "2" - с исследуемым раствором. Кюветное отделение закрывается
крышкой 5.
В фотометрическое устройство входят фотоэлемент, фотодиод,
светочувствительная пластина, усилитель. Переключение фотоприемников
осуществляется с помощью ручки 3.
В вычислительный блок 2 входит микропроцессорная система
"Электроника СМС 81201". На передней панели расположена клавиатура,
цифровое табло и два сигнальных светодиода. Клавиатура состоит из 24
клавиш. Клавиша ПУСК предназначена для запуска микропроцессорной
системы. Клавиши " Ь " и "С" - для вызова на цифровое табло из памяти
значений, соответствующих коэффициентов для контроля или ввода новых
значений. Клавиша СБР предназначена для стирания значения вызванного
коэффициента. Клавиши "0", "1-9", "-", "," - для набора на цифровом табло
нового значения коэффициента "Ь" или "С".
Рисунок 4
Клавиша УТВ предназначена для записи в память нового значения
коэффициента, набранного на цифровом табло. Клавиши "К(1)", " (2)", "D(5)" для измерений коэффициента пропускания, оптической плотности,
исследуемого вещества, концентрации вещества в растворе, а также калибровка
прибора. Клавиша "А(3)" предназначена для измерения активности. Клавиша
"Ц/Р" предназначена для перевода в один из 2-х режимов измерений: режим
одиночных измерений или режим циклических измерений (с периодом 5 с).
Клавиша "Ш(0)" предназначена для проверки измерения "нулевого отсчета".
Порядок выполнения работы
Подсоедините колориметр к сети 220 В, и включите тумблер СЕТЬ, при
этом должна загореться сигнальная лампа. Нажмите клавишу - ПУСК - на
цифровом табло появляется мигающая запятая и горит индикатор "Р".
Выдержите колориметр во включенном состоянии 15 мин при открытой
крышке кюветного отделения. Затем надо произвести измерение и учет
"нулевого отсчета", для этого: крышку кюветного отделения закрыть и открыть,
по истечении 5с нажать клавишу "Ш(0)". На цифровом табло справа
высвечивается символ п0, а слева "0". Значение п0, а слева "0". Значение п0
должно быть не менее 0,001 и не более 1,000.
19
Выбор светофильтра:
Налейте раствор в кювету и определите оптическую плотность для всех 11ти светофильтров. По полученным данным постройте кривую, где по
горизонтальной оси длины волн, по вертикальной - соответствующие значения
оптической плотности. Светофильтр выбирается так, чтобы длина волны,
соответствующая максимуму коэффициента пропускания светофильтра,
приходилась на примерно параллельно горизонтальный участок спектральной
кривой. Данная работа выполняется со светофильтром с =670 нм.
Выбор кюветы. Производится визуально, соответственно интенсивности
окраски раствора. Если раствор окрашен интенсивно (темный), следует
пользоваться кюветами с малой рабочей длиной (1-3 мм), в случае слабо
окрашенных растворов - кюветами с большей рабочей длиной (30-100 мм).
Измерение коэффициента пропускания:
- в кюветное отделение установите кюветы с растворителем (ближнее
гнездо) и контрольным раствором (дальнее гнездо). Ручку 4 (рис.2) установите
в положение "1", закройте крышку, нажмите клавишу " (2)". На цифровом
табло слева появляется символ "2", означающий, что произошло измерение
коэффициента пропускания, а справа его цифровое значение. Эту операцию
проведите 3-5 раз, и коэффициент пропускания определите как среднее
арифметическое из полученных значений.
Измерение оптической плотности:
- произвести те же операции (в положении 1 ручки 4), что и для измерения
коэффициента пропускания. Затем ручку 4 переведите в положение "2",
нажмите клавишу "D(5)" на цифровом табло слева появляется символ "5",
означающий, что произошло измерение оптической плотности, а справа её
цифровое значение. Эту операцию проведите 3-5 раз и оптическую плотность
определите как среднее арифметическое значение из полученных значений.
Построение градуировочного графика для данного вещества и определение
коэффициентов С и В:
- приготовьте ряд растворов данного вещества с известными
концентрациями,
охватывающими
область
возможных
измерений
концентраций этого вещества в исследуемом растворе.
Для построения калибровочной кривой необходимо измерить оптическую
плотность растворов метиленовой сини следующих концентраций:
0,0005%, 0,0006%, 0,00075%, 0,001%, 0,00125%, 0,0015%, 0,0025%, 0,005%.
Приготовление растворов метиленовой сини: исходная концентрация 0,005%. Для приготовления 50 мл 0,0005% метиленовой сини нужно взять 5 мл
0,005% и довести дистиллированной до 50 мл. Для 0,0006% - 6 мл, 0,00075% 7,5 мл, 0,001% - 10 мл, 0,00125% - 12,5 мл, 0,0015% - 15 мл, 0,0025% - 25 мл,
0,005% - 50 мг исходного раствора метиленовой сини растворить в 1 л
дистиллированной воды.
Измерьте оптические плотности всех растворов и постройте
градуировочный график, откладывая по горизонтальной оси известные
20
концентрации, а по вертикальной - соответствующие им значения оптической
плотности.
По градуировочному графику определите коэффициенты С и Ь.
С - значение оптической плотности при С=0 (т.е. при пересечении
градуировочного графика с осью оптической плотности D).
Ь  tg 
Di C
Ci
, где  - угол между градуировочной прямой и осью
концентраций С; (Сi), (Di) - текущие точки графика. Введите в память
вычислительного блока коэффициенты С и Ь, на цифровом табло справа от
мигающей запятой высветится набранное значение коэффициента. Затем
нажмите клавишу УТВ - информация на цифровом табло исчезнет.
Вопросы:
1. Почему по изменению светового потока можно определить концентрацию
различных веществ?
2. Можно ли на данном приборе определить концентрацию сахаров?
3. Влияет ли толщина кюветы на оптическую плотность раствора?
4. Почему при исследовании используют разные светофильтры?
Лабораторная работа № 8
Влияние различных химических веществ на светопоглощение и
светорассеяние раствора гемоглобина
Приборы и материалы:
Фотоэлектрокалориметр, растворы гемоглобина, 0,85%-ный раствор NaCl,
гепарин, центрифуга на 9000 об/мин, центрифужные пробирки,
пенициллиновые флаконы, пипетки Пастера, бихромат калия, феррицианид
калия, дитионит натрия, мыши.
Ход работы:
Кровь берут у декапитированных белых мышей. Для уменьшения разброса
данных желательно, чтобы гемоглобин выделяли из крови линейных мышей. В
основе метода получения гемоглобина лежит явление гемолиза эритроцитов
под влиянием ряда соединений (толуол, вода и др.). Цельную кровь,
стабилизированную гепарином, растворенным в 0,85%-ном растворе NaCl, для
отделения плазмы центрифугируют в течение 20 минут при 6000 об/мин.
Плазму крови отбирают с помощью пастеровской пипетки. К эритроцитам
добавляют трехкратный объем 0,85%-ного раствора NaCl, осторожно при этом
размешивая суспензию стеклянной палочкой, и центрифугируют в течение 5
минут при 6000 об/мин. Промывают эритроциты три-четыре раза. Промытые
эритроциты подвергают гемолизу дистиллированной водой в течение 20 минут
при 9000 об/мин для удаления стромы. Полученный раствор оксигемоглобина
разбавляют дистиллированной водой до требуемой концентрации.
Метгемоглобин получают из оксигемоглобина добавлением к его раствору 1-2
капель насыщенного раствора феррицианида калия. Раствор метгемоглобина
имеет коричневую окраску.
21
Для получения восстановленного (диоксигенированного) гемоглобина к
водному
раствору
оксигемоглобина
добавляют
несколько
капель
свежеприготовленного концентрированного раствора дитионита натрия. При
добавлении последнего ярко-алая окраска (цвет оксигемоглобина) переходит в
синевато-красную, характерную для гемоглобина. При исследовании
оптических свойств гемоглобина наиболее правильным представляется
использование светофильтра с =400 нм, так как полоса его светопропускания
совпадает с полосой поглощения гемопротеида. (основная часть энергии света
приходится на полосу Соре).
В задачу студентов входит:
1) правильно подобрать концентрацию оксигемоглобина. Нужно
приготовить раствор белка, оптическая плотность которого при заданном
светофильтре равнялась бы 0,40-0,45;
2) изучить кинетику изменения оптической плотности раствора
оксигемоглобина в течение 3-4 часов выдерживания при свободном доступе
воздуха. Можно рекомендовать следующие интервалы времени измерения
оптической плотности: через 20, 40, 60,80, 100, 120, 140, 160, 180 и т.д. минут
после первого определения светопоглощения раствора оксигемоглобина.
Построить кинетическую кривую изменения поглощения раствора
оксигемоглобина, то есть зависимость оптической плотности раствора от
времени выдерживания оксигемоглобина на воздухе;
3) измерить оптическую плотность раствора, полученного при добавлении
к оксигемоглобину дитионита натрия и феррицианида калия. Для компенсации
светопоглощения за счет феррицианида калия к растворителю нужно добавить
такой же объем раствора этого вещества, какой был добавлен к раствору
оксигемоглобина;
4) проследить
за
изменением
светорассеяния
в
растворах
оксигемоглобина, выдержанных в течение 3-4 суток при свободном доступе
воздуха (использовать светофильтр с =540 нм).
Определение светорассеяния в растворах оксигемоглобина будет
проводиться косвенным методом - по значению светопропускания контрольных
(свежеприготовленных растворов) и опытных (выдержанных на воздухе)
растворов оксигемоглобина. Следует помнить,
что концентрация
свежеприготовленного раствора должна равняться концентрации раствора
оксигемоглобина до хранения его в течение указанного промежутка времени.
Для компенсации светопоглощения за счет окрашенного пигмента к
растворителю (воде) нужно добавить несколько капель концентрированного
раствора бихромата калия, то есть необходимо уравнять светопропускание
раствора оксигемоглобина и растворителя. По разнице значений
светопрорпускания опытных и контрольных растворов судят об изменении
светорассеяния в растворах оксигемоглобина при хранении в условиях
свободного доступа воздуха. Если светорассеяние растворов оксигемоглобина
при хранении увеличивается, то светопропускание его растворов должно при
этом уменьшаться и наоборот.
22
На основании значений оптической плотности (пункты 2 и3) растворов
оксигемоглобина следует сделать вывод о характере структурных изменений
его молекул.
Вопросы:
1. Какой цвет характерен для гемоглобина?
2. Какой цвет характерен для оксигемоглобина?
3. С каким светофильтром необходимо проводить измерения?
4. Что такое “полоса Соре”?
Лабораторная работа № 9
Изучение фотодинамического гемолиза эритроцитов
Видимый свет обычно не оказывает заметного действия на такие объекты,
как клетки и ткани животных. Однако в присутствии некоторых красителей,
например, таких как эритрозин, эозин, бенгальская роза, метиленовый синий, а
также ряда естественных пигментов - порфиринов, гиперицина и других,
освещение приводит к повреждению и гибели клеток. Это явление носит
название фотодинамического действия. В основе фотодинамического действия
лежит реакция фотоокисления белков за счет световой энергии, поглощенной
красителем.
Задание 1. Изучение гемолиза с помощью фотоэлектроколориметра
При разрушении эритроцитов (гемолиз) происходит уменьшение мутности
суспензии, а следовательно, - увеличение светопропускания: раствор
становится более "прозрачным". Изменение пропускания суспензии
эритроцитов может служить поэтому мерой гемолиза. Пропускание
эритроцитов можно измерять на фотоэлектроколориметре типа КФК-2МП.
Чтобы поглощение гемоглобина не мешало измерению светорассеяния,
определение гемолиза производят с красным светофильтром, т.е. в
спектральной области, где гемоглобин не поглощает, и все измерения
светопропускания связаны исключительно с изменением мутности
(светорассеяния).
Приборы и материалы: фотоэлектроколориметр, вода, кровь, NaCl.
Ход работы: Приготавливают 1% взвесь отмытых эритроцитов крысы в
физиологическом растворе (описание см. в работе №4). Две пробы исходной
суспензии разводят в 100 раз: одну - дистиллированной водой, другую физиологическим раствором. Пропускание обоих растворов измеряют на
фотоколориметре КФК-2МП с красным и зеленым светофильтрами. Раствором
для сравнения служит дистиллированная вода или физиологический раствор.
Проводят повторные измерения через 10, 20, 30 минут после разведения
растворов. Следует убедиться в том, что пропускание суспензии, разведенной
водой (гипотонический гемолиз) значительно превышает пропускание
суспензии эритроцитов в физиологическом растворе (контроль).
Задание 2. Исследование гемолиза эритроцитов под действием освещения в
присутствии красителя
23
В качестве источника для облучения суспензии эритроцитов используют
лампу накаливания мощностью 500 Вт (иттриевая лампа). Пробирки с
облучаемой суспензией помещают на расстоянии 25 см от лампы. Чтобы
исключить нагревание объекта инфракрасным излучением лампы, между
источником света и пробирками с суспензией помещают стеклянный сосуд с
плоскопараллельными стенками, заполненный 0,5% NaCl (толщина слоя
раствора должна быть около 5-10 см).
Приборы и материалы: фотоэлектроколориметр, вода, кровь, NaCl, лампа
накаливания (500 Вт), эритрозин.
Ход работы: Готовят 1% суспензию отмытых эритроцитов, 0,04процентный раствор эритрозина на физиологическом растворе (8 мг эритрозина
на 20 мл физиологического раствора). В две пробирки наливают по 10 мл
раствора эритрозина и добавляют в каждую пробирку точно по 0,1 мл 1%-ной
суспензии эритроцитов (проба 1 и проба 2). В две контрольные пробирки
налить по 10 мл физиологического раствора и по 0,1 мл взвеси эритроцитов
(пробы 3 и 4). После тщательного перемешивания растворов пробы 1 и 3
облучаются в течение 10 минут. Пробы 2 и 4, которые служат темновым
контролем, в это время должны находиться в темноте при той же (комнатной)
температуре.
Затем все пробы оставляются в темноте, и их пропускание измеряют через
каждые 15 минут в течение 3 часов. Измерение производят так же, как и
предыдущие. В качестве раствора сравнения используют 0,04-процентный
раствор эритрозина на физиологическом растворе. В крайнем случае, в качестве
раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.
Результаты измерений следует представить в виде графика зависимости
пропускания (Т) от времени облучения для всех четырех проб (см.выше):
Эритроциты + краситель + освещение;
эритроциты + краситель, без освещения;
эритроциты + освещение, без красителя;
эритроциты, без красителя, без освещения.
Вопросы:
1. Что такое гемолиз и что называют фотодинамическим гемолизом?
2. Зависит ли фотодинамический гемолиз эритроцитов от интенсивности и
цветности светового потока облучающего данный образец крови?
3. Как влияют красители на гемолиз эритроцитов?
Лабораторная работа № 10
Спектрофотометрия
Приборы и материалы: спектрофотометр СФ-26, пипетки на 1 мл, 5 мл,
10мл, мерные пробирки на 5 мл, дистиллированнная вода, фильтры, растворы
тирозина, фенилаланина, белок ямчный, водяная баня.
Цель работы: измерение спектра поглощения белка яичного в нативном
состоянии и при денатурации. Измерение спектра поглощения аминокислот.
24
Спектры поглощения аминокислот расположены в ультрафиолетовой
области; в видимой области аминокислотные остатки не поглощают. В
ближнем ультрафиолетовом диапазоне спектра поглощением обладают лишь
некоторые из аминокислот. Среди них - ароматические: триптофан, тирозин,
фенилаланин, имеющие кроме основногомаксимума поглощения в дальнем
ультрафиолетовом диапазоне спектра (210-220 нм), второй, специфический для
каждой из аминокислот, максимум поглощения в области 260-280 нм. В
ближнем ультрафиолетовом диапазоне расположены также характерные
полосы поглощения серусодержащих аминокислот: цистеина и цистина.
Несмотря на сильное перекрывание полос поглощения отдельных аминокислот
в ближнем ультрафиолете, они заметно отличаются друг от друга по
положению максимумов, полуширине полос, коэффициентам экстинкции.
Аминокислоты в свободном состоянии содержат свободные карбоксильные
группы и аминогруппы, в связи с чем их спектры поглощения могут меняться
при изменении рН среды. Так, у тирозина при изменении рН происходит
ионизация фенольной группы, в результате которой сдвигается максимум
спектра поглощения и изменяется коэффициент молярной экстинкции: если в
0,1 н. HCl спектр имеет максимум при 275 нм и Е = 1300, то в 0,1 NaOH
максимум расположен при 293 нм, а Е = 2400.
Принцип действия
Спектрофотометр СФ-26 предназначен для измерения коэффициента
пропускания жидких и твердых веществ в области спектра от 186 до 110 нм.
Коэффициент пропускания исследуемого образца Т равен отношению
интенсивности потока излучения I, прошедшего через измеряемый образец, к
интенсивности потока излучения I0, падающего на измеряемый образец или
прошедшего через контрольный образец, коэффициент пропускания которого
принимается за единицу, и выражается формулой
T 
I
I0
Измерение производится по методу электрической автокомпенсации. В
монохроматический поток излучения поочередно вводятся контрольный и
измеряемый образец. При введении контрольного образца стрелка
измерительного прибора устанавливается на деление "100" регулировкой
ширины щели, и значение установившегося при этом светового потока
принимают за 100% пропускания. При введении в поток излучения
измеряемого образца стрелка измерительного прибора отклоняется
пропорционально изменению потока, величина коэффициента пропускания
отсчитывается по шкале в процентах пропускания.
Для обеспечения работы спектрофотометра в широком диапазоне спектра
используется два фотоэлемента и два источника излучения сплошного спектра.
Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла применяется
для измерений в области спектра от 186 до 650 нм, кислородно-цезиевый
25
фотоэлемент - для измерений в области спектра от 600 до 1100 нм. Длина
волны, при которой следует переходить от измерений с одним фотоэлементом к
измерениям
с
другим
фотоэлементом,
указывается
в
паспорте
спектрофотометра. Дейтериевая лампа предназначается для работы в области
спектра от 186 до 350 нм, лампа накаливания - для работы в области спектра от
340 до 1100 нм. Для проверки градуировки используется ртутно-гелиевая
лампа.
Устройство спектрофотометра
Спектрофотометр (рис.
) состоит из монохроматора 1 с измерительным
прибором 2, кюветного отделения 3, камеры 4 с фотоприемниками и
усилителем, и осветителя 5 с источниками излучения и стабилизатором.
В спектрофотометре используются два источника сплошного спектра:
дейтериевая лампа для работы в области спектра от 186 до 350 нм и лампа
накаливания - для работы в области спектра от 340 до 1100 нм. Смена
источников излучения производится в диапазоне от 340 до 350 нм путем
переключения рукоятки 6 при выключении прибора.
Рисунок 1
Подготовка к работе
Включение спектрофотометра.
1. Установите в рабочее положение фотоэлемент и источник излучения,
соответствующее выбранному спектральному диапазону измерений.
2. Закройте фотоэлемент, поставив рукоятку 7 шторки в положение ЗАКР.
3. Включите тумблер СЕТЬ, после чего должны загореться сигнальная
лампа СЕТЬ и сигнальная лампа Д или Н в соответствии с выбранным
источником излучения.
4. Стабильная работа спектрофотометра обеспечивается через 1 час после
его включения.
5. Выключение спектрофотометра производите тумблером СЕТЬ.
26
Порядок выполнения работы
Измерение коэффициентов пропускания производится при плотно закрытой
крышке кюветного отделения.
1. Включите спектрофотометр, как указано ранее.
2. Рукоятка "компенсация" должна быть установлена в положение "С".
3. Установите требуемую длину волны, вращая рукоятку 8 в сторону
увеличения длин волн. Если при этом шкала повернется на большую величину,
то возвратите ее назад на 3-5 нм и снова подведите ее к требуемому делению.
4. Рукоятки "чувствительность" и "компенсация" не трогать.
Задание 1. Измерить спектр поглощения раствора тирозина. Исходный
раствор (10мг тирозина + 3 мл Н2Одист. + 7 мл КОН 0,01 н.) развести 1:10.
Измерить спектры поглощения в 3 аналитических повторностях при
следующих длинах волн: 220, 240, 260, 280, 300 нм. По результатам измерений
построить спектры поглощения.
Задание 2. Определение спектра поглощения фенилаланина. Из исходного
раствора (10мг фенилаланина + 3 мл Н2Одист. + 3 мл HCl 0,1 н. + 3 мл NaОН 0,1
н.), приготовить разведение 1:10. Измерить оптическую плотность при
следующих длинах волн: 220, 240, 260, 280, 300 нм. По полученным данным
простроить кривую спектропоглощения.
Задание 3. Определение спектропоглощения белков.
Яичный белок. Взять навеску белка (10 мг) на торсионных весах,
растворить в 5 мл Н2О дист. Из этого раствора приготовить разведение 1:10.
Измерить спектр поглощения при 220, 240, 260, 280, 300 нм. Исходный раствор
разделить пополам, выдержать в водяной бане (40С) в течение 10-15 минут.
Одну пробирку охладить постепенно при комнатной температуре, другую
охладить быстро, поместив в лед. Измерить спектры поглощения растворов в
обеих пробирках. Построить спектры поглощения.
Лабораторная работа № 11
Изучение работы газового лазера
Приборы и принадлежности: He-Ne газовый лазер, оптический стол,
монохроматор
Цель работы: изучение принципа действия газового лазера.
Слово "лазер" (LASER) состоит из начальных букв пяти английских слов:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе с
английского означает "усиление света с помощью вынужденного излучения.
Лазер, или оптический квантовый генератор, был создан в 1954 г. почти
одновременно Н.Г. Басовым и А.М.Прохоровым в СССР (Физический институт
имени Лебедева) и Ч.Таунсом с сотрудниками в США (Колумбийский
университет). В качестве рабочего вещества первого квантового генератора
использовался аммиак. Молекулы аммиака приводились в возбужденное
состояние, после чего создавались условия для их одновременного на исходный
уровень, в результате чего излучался мощный радиоимпульс.
27
С 1954 г. по 1960 г. наблюдалось бурное развитие квантовой радиофизики.
Были созданы разнообразные конструкции квантовых генераторов и
разработана их теория.
Большую роль в развитии квантовой электроники сыграли работы
французского ученого А.Кастлера. Еще в 1949 Кастлер пришел к выводу, что
атомы особенно сильно поглощают свет в том случае, когда их собственные
частоты резонируют с частотой возбуждающего излучения. В 1952 г. он
разработал метод оптической накачки: атомы рабочего тела приводятся в
возбуждение внешним источником светового или микроволнового излучения.
Работы А.Кастлера в значительной степени ускорили создание лазера.
В 1958 г. Ч.Таунс и А.Шавлов предложили принцип лазера. Для
осуществления идеи Шавлов предложил использовать рубиновые стержни,
имеющие в своем составе микровключения хрома, атомы которого излучают
свет. В 1960 г. Т.Мейманом, американским физиком, был создан первый лазер
на рубине. В том же 1960 г. другой американский физик Али Джаван создал
газовый лазер.
Некоторые типы лазеров
Лазеры классифицируются, как правило, или по названию классов веществ,
применяемых в них в качестве активной среды, или по методу достижения
инверсной населенности в этих средах.
В соответствии с первой классификацией различают твердотельные,
газовые, полупроводниковые, жидкостные лазеры, лазеры на органических
красителях и др.
По методу получения инверсной населенности различают химические,
газодинамические, молекулярные и др.
Первым лазером был твердотельный лазер на рубине. Активной средой в
этом лазере был кристалл розового рубина. Для ионов рубина характерна
трехуровневая схема расположения энергетических состояний. Инверсная
населенность в первом лазере достигалась оптическим методом возбуждения
при помощи мощной импульсной ксеноновой лампы. В более поздних
конструкциях применялись иные схемы оптического возбуждения кристалла,
позволяющие улучшить условия освещения рубина, например, эллиптические
отражатели. В одном фокусе такого отражателя помещался кристалл рубина, а
в другом - цилиндрическая лампа накачки.
Вслед за рубиновым лазером осенью 1960 г. был создан газовый,
работающий на смеси газов гелия и неона. В первом газовом лазере трубка
длиной L=100 см и диаметром 1.5 см, наполненная гелием при парциальном
давлении (~ 130 Па) и неоном при давлении (~ 13 Па), помещалась между
зеркалами резонатора, укрепленными на сильфонах. Инверсная населенность
достигалась электрическим способом возбуждения молекул. Крепление зеркал
резонатора непосредственно на разрядной трубке газового лазера было
неудобным, так как выход трубки из строя делал непригодным и оптический
резонатор. Было предложено располагать торцевые стенки разрядной трубки
под углом Брюстера. Это позволило исключить отражение на торцевых стенках
трубки и отделить зеркала резонатора от самой трубки.
28
В отличие от твердотельных лазеров газовые лазеры работают в
непрерывном режиме. КПД таких систем невелик, порядка 0.1- 2%, что связано
с неэффективным методом накачки. К преимуществам газовых лазеров следует
отнести высокую степень когерентности излучения. Газовые лазеры при
соответствующей стабилизации генерируют линии шириной примерно 10³ Гц,
что является недостижимым для других типов ОКГ. Из-за этих свойств газовые
лазеры и нашли широкое применение.
В 1962 г. были созданы полупроводниковые лазеры, которые
характеризуются высоким КПД, так как в них электрическая энергия
непосредственно преобразуется в световую. Для полупроводниковых лазеров
применяются полупроводники, для которых характерны прямые переходы из
зоны проводимости в валентную зону. Для выполнения условия генерации
исходный материл сильно легируется, так чтобы уровень Ферми для
полупроводника с p- типом проводимости находился в зоне проводимости, а
уровень Ферми для полупроводника с p- типом проводимости – в валентной
зоне. На основе этих материалов создается диодная структура в p-n- переходом.
При подаче на такой диод прямого смещения потенциальный барьер между p- и
n- областями уменьшается до нуля и через переход начинает течь сравнительно
большой ток в прямом направлении. Непосредственно в области p- n- перехода
идет процесс рекомбинации электронов и дырок. Так при этом в области, где
рекомбинируют заряды, выполняются условия инверсной населенности т,
поместив активную область кристалла в резонатор, можно получить генерацию
света. Фактически резонатором служат боковые грани кристаллического диода,
которые получаются в результате соответствующей обработки. Основная
трудность при реализации полупроводниковых лазеров состоит в получении
малой силы пороговых токов для генерации света в таких лазерах. Первые
полупроводниковые лазеры при комнатной температуре имели плотность
порогового тока равную приблизительно 10 в 9 степени А/м² и могли работать
только в импульсном режиме. Чтобы эти лазеры могли работать в непрерывном
режиме, их необходимо было охлаждать до температуры жидкого азота.
В 1964 г. были созданы полупроводниковые лазеры на основе сложных
структур p- n- переходов, состоящих из различных полупроводниковых
материалов (такие переходы в отличие от диодов, где в качестве исходного
материала использовался один и тот же полупроводник, (гомопереход),
получили название гетеропереходов). В таких структурах удалось уменьшить
силу пороговых токов в 10- 20 раз, что позволило осуществить непрерывный
режим генерации при комнатной температуре.
В настоящее время наиболее мощными лазерами, работающими в
непрерывном режиме, являются молекулярные лазеры. Хотя по природе среды,
которая применяется в молекулярных лазерах, они относятся к газовым, но их
выделяют в отдельный класс приборов, так как в молекулярных лазерах в
отличие от газовых используются не электронные, а колебательные
возбужденные состояния.
В первых молекулярных лазерах на CO2 инверсная населенность между
колебательными уровнями достигалась в условиях электрического разряда. В
29
таких лазерах используют разрядные трубки, достигающие десятков метров. В
наиболее крупных лазерах такого типа в непрерывном режиме достигнута
мощность излучения 1- 9 кВт.
К молекулярным лазерам можно отнести и газодинамические лазеры,
хотя у них способ получения инверсной населенности связан с использованием
тепловых методов возбуждения молекул. Газодинамические лазеры наиболее
мощные из известных генераторов оптического диапазона. С их помощью
получены мощности излучения  60 кВт в непрерывном режиме.
Имеются еще и химические лазеры, в которых энергия излучения
непосредственно определяется энергией химических реакций. Химический
лазер, в котором активной средой является СО2, генерирует, как и другие
молекулярные ОКГ, на длине волны  =10.6 мкм.
Совершенно уникальными свойствами обладают жидкостные лазеры,
в которых активной средой является раствор органического красителя в воде
или спирте. Частота генерации таких лазеров на красителях может
перестраиваться в довольно широком диапазоне. В настоящее время созданы
перестраиваемые лазеры, частота излучения которых перекрывает весь
видимый диапазон.
Источником накачки в лазерах с поперечной накачкой является
импульсный рубиновый лазер. Свет этого лазера падает на кювету с раствором
красителя, помещенную в резонатор, образованный зеркалами, между
которыми находится диспергирующая призма. В таком резонаторе волны,
отражаясь от двух зеркал, многократно проходят через активную среду,
обеспечивая при соответствующих условиях возможность генерации света на
этой длине волны. Поворотом призмы можно плавно изменять длину волны
или частоту генерируемого света. В других резонаторах, обеспечивающих
плавную перестройку частоты света, применяют вместо призмы и одного из
зеркал отражательную дифракционную
решетку.
Распространенным
красителем, применяемым в жидкостных лазерах, является родамин (6Ж). В
отечественных лазерах на красителях обеспечивается перестройка длины волны
излучения в диапазоне 260- 1200 нм, причем в диапазоне от 260- 360 нм можно
получит мощность излучения 1 мВт, мощность в диапазоне от 360- 720 нм- 10
мВт, в ближнем ИК диапазоне- 100 мВт. Длительность импульса накачки и
генерируемого излучения около 20 нс.
Принцип действия всех лазеров одинаков. При помощи лазера можно
получить высокоинтенсивный пучок электромагнитных волн, обладающих
такими обязательными свойствами, как монохроматичность, когерентность и
поляризация.
Принципиальная схема любого лазера включает в себя активное вещество
(твердое, жидкое, газообразное), являющееся источником излучения, источник
возбуждения (накачки), снабжающий активное вещество энергией, и
резонансное устройство, позволяющее концентрировать поток энергии в
определенном направлении.
Известно, что атомы и молекулы состоят из ядер и электронов.
Энергия относительного движения частиц, составляющих атомы, может
30
принимать только строго определенные значения. Эти значения Е1, Е2… Ек
называются уровнями энергии. Система энергетических уровней (Е1, Е2,…, Ек)
составляет энергетический спектр атома (рис. 1)
Ек
Е5
Е4
Е3
Е2
возбужденные уровни
Е1
основной уровень
Рис. 1. Энергетический спектр атома.
“ Нижний” уровень – с минимальной энергией - называют основным,
остальные - возбужденными. Энергетический спектр атома зависит от его
структуры.
В обычных условиях в веществе уровни с меньшей энергией населены
больше, чем уровни, расположенные выше. Рассмотрим вещество, в котором
имеется достаточное число возбужденных атомов с энергией Е2. Число таких
атомов называют населенностью уровня Е2. Если населенность уровня Е2
больше населенности уровня Е1, то такое вещество называют активным. При
прохождении через активное вещество электромагнитного излучения будет
происходить его усиление благодаря тому, что количество вынужденных
переходов атомов с уровня Е2 на уровень Е1 будет превосходить число актов
поглощения. Таким образом, квантовое усиление происходит за счет
внутренней энергии атомов, т. е. “ полет” фотонов через вещество вызывает
рождение новых фотонов. Происходит лавинообразное нарастание количества
фотонов в веществе. Чтобы энергия волны не ослаблялась, увеличивалась при
ее прохождении через вещество, необходимо искусственно увеличить
населенность верхнего уровня и уменьшить населенность нижнего уровня, т. е.
перевести вещество в состояние с инверсией населенности (от лат. inversioпереворачивание, перестановка). Это первое необходимое условие для
функционирования лазера как системы, генерирующей свет.
Часть возникающей лавины электронов должна постоянно оставаться
в веществе, вызывая вынужденное излучение новых порций квантов. Это
достигается с помощью зеркал. Проходя через рабочее вещество, часть
световой волны излучается во внешнюю среду, а другая часть, отразившись от
зеркал, дает импульс к возникновению новой лавины фотонов. Это второе
необходимое условие.
Третье предполагает, что усиление в активном веществе должно быть
достаточно сильным, т. е. количество возбужденных атомов в рабочем
веществе должно быть больше некоторого порогового значения.
Таким образом, для создания источника когерентного света
необходимо соблюдать следующие условия:
31
1. Рабочее вещество должно обладать инверсной населенностью. Только
тогда можно усилить свет за счет вынужденных переходов.
2. Рабочее вещество необходимо поместить между зеркалами, которые
осуществляют обратную связь. Именно за счет зеркал можно добиться того,
чтобы часть излучаемой световой энергии постоянно оставалось внутри
рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение.
3. Усиление, даваемое рабочим веществом, а значит число возбужденных
атомов или молекул в рабочем веществе, должно быть больше порогового
значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.
Только при соблюдении этих трех условий мы получим систему,
способную усиливать свет с помощью вынужденного излучения, называемую
лазер, или оптический квантовый генератор.
Гелий- неоновый лазер- это лазер, рабочим веществом которого
является инертный газ неон. Примесь гелия увеличивает инверсию
населённостей уровней атомов неона. Для гелий–неоновых лазеров характерны:
высокая стабильность частоты излучения, простота конструкции, высокая
направленность излучения, а также длительный срок службы. В практике
традиционно используются гелий- неоновые лазеры с длиной волны 632.8 нм
(0. 64 мкм). Однако ряд зарубежных фирм уже выпускает гелий – неоновые
лазеры с другими длинами волн. Например “зеленый” лазер с длиной волны
543.3 нм и мощностью 0.5- 1 мВт и инфракрасный лазер с длиной волны 1523.1
нм. Вообще, гелий- неоновые лазеры, как правило, имеют небольшую
выходную мощность (от 10 до 100 мВт), т. е. являются низкоэнергетическими.
Непрозрачн. зеркало
Электроды
полупрозрачное зеркало
Блок питания
Газоразрядная трубка
Рис. 2. Схема устройства газового лазера.
Основными элементами газового лазера являются: газоразрядная
трубка, содержащая смесь газов (гелий и неон), оптический резонатор
32
(зеркала), обеспечивающий обратную связь между светом и возбужденными
атомами; блок питания, обеспечивающий зажигание и поддержание разряда в
трубке. С торцов газоразрядная трубка закрыта плоскопараллельными
стеклянными пластинами, расположенными под определенным углом к
горизонтальной оси трубки. Через эти стеклянные “окна” излучение проходит
без потерь и попадает на зеркала. Они обладают высокой степенью отражения
(до 98- 99%). В тоже время часть излучения проходит через полупрозрачное
зеркало в виде интенсивного красного светового пучка.
Лабораторная работа № 12
Изучение свойств естественного света и искусственных световых
источников (лампа накаливания, неоновая и ртутные лампы, лазера)
Приборы и материалы: Монохроматор, оптический стол, источники
света: лампа накаливания, ртутная лампа, неоновая лампа, лазер гелийнеоновый, поляроиды, дифракционная решетка, переменные щели.
Цель работы: изучения раличий в свойствах световых потоков от
источников света разного типа, исследования
монохроматичности и
поляризованности лазерного света.
Излучение лазеров отличается рядом замечательных особенностей, не
характерных для других источников излучения включая Солнце. Лазерный свет
обладает:
1 – временной и пространственной когерентностью;
2 – строгой монохроматичностью;
3 – большой мощностью излучения;
4 - малой расходимостью светового пучка.
Задание 1. Изучение монохроматичности света
Направить нащель монохроматора световой поток от разных источников
излучения. Работу лучше начинать рассматривая естественный, солнечный
свет, затем лампу накаливания, неоновую и ртутную лампу, а последним лазер.
Свет лазера необхоимо рассматривать только через серый светофильтр. Вращая
барабан монохроматора просмотреть все спектры в видимом диапазоне.
Обратить внимание на интенсивность отдельных участков спектра,
особенности перехода одного цвета в другой в зависимости от источника
излучения, т.е. наличие плавного перехода или наличие границ. Отметить
различия между линейчатым и сплошным спектрами. Определить в каком
диапазоне мы воспринимаем свет. Построить график, отложив на оси ординат
свет (цвет) в нанометрах, а по оси абцисс – показания барабана монохроматора.
Отметить красную линию гелий-неонового лазера.
Проверить восприятие света и его прохождение через защитные очки,
вначале визуально, одев их, а затем, поместив очки перед щелью
монохроматора проверить, как измениться наблюдаемый лазерный спектр.
Задание 2. Наблюдение углового расхождения лазерного излучения.
Поместив рабочую тетрадь в световой поток лазерного излучения
отметить диаметр пятна на расстоянии 10 см, 50 см, 100 см, 200 см. Определить
33
угол расхождения и сравнить с паспортными данными. Тангенс угла равен
отношению расстояния до пятна к его радиусу, по таблице Брадиса найти угол.
Расчеты сделать для каждого измеренного расстояния и определить средний.
Сделать выводы, почему расхождение лазерного света отличается от такового
от других источников излучения.
Задание 3. Наблюдение линейной поляризации лазерного света.
Перпендикулярно световому потоку помещают поляроид и, вращая его
вокруг оси,
наблюдают изменение интенсивности проходящего через
аналиатор света. Опыт проводят со всеми источниками света, отмечая
наблюдаемые особенности. Делают вывод о наличии или отсутствии
поляризации у света. Повторяют опыты с двумя поляроидами, объясняют
происходящие изменения.
Вопросы:
1. Какой источник излучения дает поляризованный свет?
2. Какой источник излучения дает монохроматичный свет?
3. Какой источник излучения не дает монохроматичный свет?
4. Какой источник излучения не дает поляризованный свет?
5. Что является рабочим телом в гелий-неоновом лазере?
6. Почему спектр неоновой лампы игелий-неонового лазера отличаются друг
от друга?
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЖИВЫХ СИСТЕМ
Лабораторная работа № 13
Изучение закономерностей прохождения электрического тока
через живые ткани
Наличие животного электричества было показано в известных опытах
Гальвани еще в 18 веке. Последующее изучение биоэлектрических явлений
показало особую значимость для живого наличия разницы потенциалов в
органах, тканях, клетках. Например, без разницы потенциалов на мембранах
органоидов (митохондрий или хлоропластов) не возможны процессы дыхания и
фотосинтеза. Проведение возбуждений, движения у животных, диффузия и
транспорт многих веществ также определяется разницами потенциалов.
Живые ткани состоят из клеток, омываемых тканевой жидкостью.
Цитоплазма клеток и тканевой жидкости представляют собой электролиты,
разделенные плохо проводящей клеточной оболочкой. Такая система обладает
статистической и поляризационной емкостью. Поляризационная емкостьрезультат электрохимической поляризации, возникающей при прохождении
постоянного электрического тока через электролит. Она зависит от силы тока и
времени ее протекания. По современным представлениям, живые ткани не
обладают индуктивностью, и сопротивление их имеет только активную и
емкостную составляющие.
34
При прохождении переменного тока через живые ткани
наблюдается дисперсия электропроводимости: полное сопротивление ткани
увеличивается с уменьшением частоты тока до некоторой максимальной
величины Z max и стремится к некоторому минимальному значению Z min при
увеличении частоты. На рис. 1 изображен график зависимости импеданса
мышцы от частоты переменного тока.
Для оценки дисперсии электропроводимости Б. Н. Тарусовым был
предложен коэффициент дисперсии поляризации:
K 
R4
R6
где: R4- сопротивление ткани для тока частотой 10 000 Гц;
R6- сопротивление ткани для тока частотой 1 000 000 Гц.
Дисперсия электропроводимости живой ткани является результатом
зависимости емкостного сопротивления от частоты переменного тока, а также
влияния поляризационной емкости, которая при низких частотах сказывается
сильнее
и
уменьшается
с
увеличением
частоты.
Дисперсия
электропроводимости присуща только живым тканям. По мере отмирания
ткани крутизна кривой уменьшается. На рис. 2 приведена зависимость
сопротивления участка живой ткани от частоты при отмирании: 1- живая ткань,
2- поврежденная ткань, 3- мертвая ткань.
В связи с трансплантацией тканей и органов метод определения
электропроводимости
используется
как
один
из
тестов
оценки
жизнеспособности консервированной кожи, роговицы, костей и т. д.
Другим проявлением реактивных свойств сопротивления живой
ткани является наличие сдвига фаз между силой тока и напряжением. Для
биологических объектов характерен большой сдвиг фаз между силой тока
напряжением, что говорит о значительной доле емкостного сопротивления. Для
кожи человека, например, при частоте 1 кГц угол сдвига фаз равен 55.
Импеданс живой ткани зависит от ее физиологического состояния, и
его значение может быть использовано для диагностики. Диагностический
метод, основанный на измерении импеданса тканей, называется реографией.
Импеданс живой ткани можно моделировать с помощью
эквивалентных схем. На рис. 3 приведены такие схемы и указаны графики
зависимости Z(f) для данных схем. На них видно, что наиболее близкая к живой
ткани зависимость получается для схемы В.
Приборы и материалы:
Осциллограф, генератор звуковой частоты,
эквивалентные схемы
Цель работы: Исследование импеданса и сдвига фаз между напряжением
и силой тока в зависимости от частоты
Ход работы: 1. Согласно рисунку собирают эквивалентные схемы, и
переключателем 1 поочередно включают их в измерительную цепь
с
последующим доподлнительным резистором Rд. При последовательном
включении сила тока в дополнительном резисторе и эквивалентной схеме
35
одинакова. Напряжение в цепь подается со звукового генератора,
позволяющего менять частоту сигнала. Двухлучевой осцилограф позволяет
наблюать две кривые –силу тока и напряжение одновременно.
Таким образом , импеданс Z отношением напряжения на эквивалентной
схеме U1 и напряжением на дополнительном резисторе U2, умноженном на
сопротивление дополнительного реистора Rд: Z = (U1/ U2)*Rд.
Сдвиг фаз между силой тока и напряжением находят по разности фаз
кривых на осцилографе:  = 2x/d, где x – расстояние между точками разных
кривых с одинаковыми фазами, а d - расстояние между точками одинаковых
кривых с одинаковыми фазами.
Ход работы.
1. Собирают эквивалентные схемы.
2. Собирают электрическую цепь по рис.4, включая последовательно в
измерительную цепь звуковой генератор, эквивалентную схему,
дополнительный резистор и осциллограф.
3. Установив на звуковом генераторе определенную частоту f, добиваются
устойчиовй картины на осциллографе.
4. Находят Z, определив L1 и L2, сопротивление Rд указано на установке.
5. Измеряемые данные вносят в таблицу:
f , гц
L1, мм
L2, мм
Z, ом
x, мм
d, мм

6. Посторить график зависимости Z от f и  от f для эквивалентной схемы а.
7. Сделать подобные измерения и графики для эквивалентных схем б и в.
8. Сравнить полученные графики с частотными характеристиками импеданса
для живой ткани и определить более точно моделирующую схему.
Вопросы: 1. Что моделирует эквивалентная схема?
3. Что такое импеданс?
4. Какова особенность электропроводности живой ткани?
5. Что такое дисперсия электропроводности?
6. Что позволяет оценить реография?
Лабораторная работа № 14
Гальванизация: электрофорез лекарственных веществ
Непрерывный постоянный ток напряжением 60-80 В используют как
лечебный метод физиотерапии (гальванизация). Постоянный ток используют в
лечебной практике также введения лекарственных веществ через кожу или
слизистые оболочки. Этот метод получил название электрофореза
лекарственных веществ.
36
Приборы и материалы: аппарат для гальванизации, NaCl, вода, панкуроний
(пипекуроний, векуроний, атракурий) в ампулах, марлевые или фланелевые
прокладки, кролики.
Ход работы: Двум кроликам выбривают участки кожи на обоих боках.
Разбить ампула какого-либо курареподобного вещества, приготовить
физиологический раствор. К выбритым местам прикрепляют фланелевые
прослойки; одни из них смочены раствором кураре, другие физиологическим
раствором. На фланель накладывают электроды и пропускают по цепи ток
силой 50 мА. Проследить реакции животных, занести в тетрадь.
Лабораторная работа № 15
Изучение биофизических параметров биологически активных точек
кожи человека и локализации их на поверхности тела
В начале 20 века И. Р. Тарханов нашел на теле человека локальные участки
снижения потенциала, а позднее А. К. Подшибякин показал, что большинство
точек с измененными электрическими характеристиками (сниженным
потенциалом,
уменьшенным
сопротивлением,
резко
повышенной
электропроводимостью ) соответствуют точкам, используемым в акупунктуре в
юго-восточных странах ( Китай, Тибет, Япония и т. д. ).
Метод чжень-цзю терапии имеет тысячелетнюю историю. Полагают,
что эти точки, получившие название биологически активных точек (БАТ), были
найдены эмпирически как для человека, так и для животных (лошади, коровы,
собаки и т. д.). Согласно легенде, а первые письменные источники относятся к
1 тыс. до н.э., один крестьянин, страдавший от головной боли, случайно на поле
лопатой ранил себе ногу и избавился от головной боли. После этого врачи
стали лечить многие болезни, воздействуя на разные точки тела. Под
эмпирический опыт была создана своеобразная теория, которая поражает своей
космогеничностью и архаичностью. И хотя до настоящего времени нет
официально признанной и достаточно полной научной теории, объясняющей
сущность метода чжень-цзю терапии, метод очень эффективен и широко
используется во многих странах мира.
До настоящего времени нет единого мнения о количестве точек,
разные авторы находят от 693 до 10000, другие полагают, что достаточно знать
120 точек. Имеется 12 парных каналов и 2 непарных. Название канала обычно
связывают с органом, хотя точки его влияют и на другие органы. Различают
каналы Янь и Инь, исходя из представлений о жизненной энергии Чи, при этом
Янь (мужское начало, день)- положительный полюс Чи, тогда Инь (женское
начало, ночь)- отрицательный полюс Чи. Названия каналов: легкие (P), толстой
кишки (GI), желудка (E), селезенки и поджелудочной железы (RP), сердца (C),
тонкой кишки (IG), мочевого пузыря (V), почек (R), перикарда (MC), тройного
обогревателя (TP), желчного пузыря (VB), печени (F) и чудесные каналы
(срединные): Янь - Ду Май, Инь – Шэнь Мень. Каналы показаны на рисунке 4.
37
На каждом канале есть точки соответствующие пяти элементам,
определяющих сущность всего реального мира, точки эти расположены на
кистях и стопах. Для любого канала различают основные пункты:
тонизирующие, седативные, стабилизирующие, “пособник”, “глашатай”,
“успех” и обезболивающий. Каждый пункт выполняет определенную функцию:
тонизирующий - возбуждает, “глашатай” - сигнализирует и т. д. Точки
“глашатай” соответствуют зонам Захарьина- Геда. Есть точки “шлюзы”- точки
входа и выхода энергии из канала, в зависимости от направления тока энергии
различают центростремительные (от конечностей к телу) и центробежные (от
тела на конечности). В целом каналы образуют замкнутую систему циркуляции
гипотетической энергии Чи. Положенное в основу пространственно-временное
представление о строении тела человека исходит из аксиомы: пространство- это
застывшее время, т. е. у текущего времени нет координат. Каналы оказываются
связаны со знаками Зодиака и лунным годом. По китайским представлениям
проколы в точках или прижигания убивают болезни, находящиеся в теле.
Современная медицина при диагностике, изучении этиологии, патогенеза и
методов лечения заболеваний предпочитает пользоваться конкретными
категориями (морфологическими, физиологическими, биохимическими и др.).
В связи с этим большинство исследований западноевропейских ученых по
механизму акупунктуры направлены на изучение отдельных сторон
акупунктурного воздействия на организм человека. Поэтому не случайно
существует значительное число теорий механизма действия акупунктуры.
Теория тканевой терапии. Основными факторами воздействия являются
некрогормоны и продукты белкового распада, образующиеся при
травмировании тканей в месте введения иглы.
Теория нормализации капиллярного кровотока. В соответствии с ней под
влиянием иглотерапии нормализуется капиллярный кровоток с последующим
вторичным устранением патологии того или иного органа.
Теория гистаминного выравнивания.При иглотерапии рефлекторно через
соответствующие сегменты спинного мозга и симпатическую часть
вегетативной нервной системы в пораженных тканях больного органа
нормализуется содержание гистидина и образующегося из него гистамина; в
результате происходит воздействие на кровоток в капиллярах и нормализация
обмена.
Электрические теории:
а)
возникающие при иглоукалывании
биоэлектрические токи оказывают лечебное воздействие в связи с явлением
резонанса, т.е. при совпадении длины волны и частоты колебаний
возникающих биотоков с аналогичными показаниями тканей больного органа;
б) изменение местного электрического заряда при введении иглы в
акупунктурную точку (AT) оказывает влияние на электрический заряд всего
организма. Потенциал, возникающий в месте воздействия иглы и
распространяющийся по ходу канала, служит дополнительным раздражителем
первичной точки воздействия и точек, располагающихся далее по ходу канала.
Термоэлектрическая концепция. Обращая внимание на термоэлектрический
первичный механизм действия акупунктурной иглы, авторы данной теории
38
отмечают, что введенная игла является своего рода термозондом и тем самым
может влиять на тепловой гомеостаз организма в целом. Поскольку игла
погружается в электролитную среду, в связи с градиентом различных
температур на ней возникает электрический потенциал, энергетически наиболее
адекватный для воздействия на нервную систему. При этом Ромоданов А.П. с
соавторами отмечает двухфазность изменения температуры и соответственно
функционального состояния "точек воздействия" на введение акупунктурных
игл: первая фаза - возбуждение, сопровождающееся локальным повышением
температуры, обусловленным усилением притока крови; вторая фаза торможение, сопровождающееся локальным снижением температуры.
Биоэлектрические и информационно-энергетические теории. Живой
организм, взаимодействуя с окружающей средой, вынужден постоянно
адаптироваться к условиям и требованиям этой среды, обеспечивая гомеостаз.
С биофизической точки зрения организм представляет собой энергетическую
систему, в существовании которой огромное значение имеют электрические и
электромагнитные процессы, протекающие как в окружающей среде, так и
внутри организма, а также на стыке их. Предполагается (Вельховер Е.С.,
Вогралик В.Г. и др.), что информационно-энергетический обмен между макрои микрокосмосом осуществляется преимущественно через AT. Лиманский
Ю.П. (1990) выдвигает гипотезу о том, что AT представляют собой
специфическую систему, способную адекватно воспринимать и передавать в
мозг сигналы об изменениях электромагнитных полей Земли и метеофакторов,
назвав ее "экоцептивной чувствительностью". Система экоцептивной
чувствительности, отмечает Лиманский Ю.П., представляет собой особый
афферентный вход, через который организм постоянно контролирует
качественные и количественные параметры факторов внешней среды, которые
в случаях значительных их отклонений могут изменять деятельность жизненно
важных функциональных систем организма. Эта информация интегрируется в
мозге
с
аналогичной
информацией,
полученной
через
систему
висцеросенсорной чувствительности от внутренних органов, и используется
для запуска адаптивных механизмов, направленных на ослабление или полную
компенсацию отрицательных изменений в функциональных системах
организма.
С позиций современных биофизических представлений о целостности
живого тела человека, обладая специфическим биополем, а возможно, и
биоплазмой, представляет собой целостную энергетическую систему живого
организма, существующую и развивающуюся в объемном трехмерном
пространстве, в котором энергоинформационные связи налажены по
голографическому признаку: любая часть целого дает представление о целом, а
целое содержит в себе информацию о любой его части. Таким образом,
соответствие точек и каналов различным органам отражает эмбриологические
связи, являющиеся разверткой генетической информации, кодированной во
времени и пространстве.
Рефлекторные механизмы акупунктуры. Рефлекторный принцип
иглоукалывания, прижигания и других методов воздействия на AT является
39
общепринятым. Многие ученые придерживались вегетативно-рефлекторной
теории действия иглоукалывания и прижигания, разработанной Щербаком А.Е.
(1936) применительно к физиотерапии. Согласно этой теории основная роль в
механизме действия иглоукалывания принадлежит вегетативной нервной
системе, кожно-висцеральным взаимоотношениям и др. В настоящее время
получены данные о том, что ответная реакция на иглоукалывание и другие
методы воздействия на AT реализуется через нервную систему с включением
нейрогуморальных механизмов. Стимуляция AT вызывает наиболее
выраженную рефлекторную реакцию в пределах того метамера или
спинального сегмента в соответствующих внутренних органах, с которыми
наиболее тесно связана стимулируемая точка. Этот принцип, получивший
название "метамерная рефлексотерапия", имеет четкое нейроанатомическое
обоснование, т.к. к отдельным спинномозговым сегментам относятся не только
соответствующие участки кожи (дерматомы), но и соответствующие мышцы
(миотомы), кости и связки (склеротомы), сосуды и внутренние органы
(энтеротомы). Эти факты известны еще из работ Аствацатурова М.И. (1929) и
подтверждены применительно к рефлексотерапии Подшибякиным А.К. (1960),
Судаковым Ю.Н.и соавт. (1986). В их основе лежит механизм конвергенции
разномодальной афферентной импульсации на одних и тех же нейронных
элементах. Этим объясняются висцеросоматические и соматовисцеральные
влияния, наиболее четко проявляющиеся на уровне спинного мозга. Подобные
соматовисцеральные перекрытия имеют место и в вышележащих образованиях
ЦНС, например, на уровне таламуса. В пределах головного мозга
соматовисцеральные взаимоотношения являются более сложными, и тем не
менее они объективно установлены на экспериментальных моделях и
подтверждены клиническими наблюдениями.
Таким образом, в ответной реакции организма на иглоукалывание
принимают участие все отделы нервной системы начиная с рецепторного
аппарата и сегментарных отделов спинного мозга, включая центральные
отделы головного мозга, в т.ч. ретикулярную формацию, подкорково-стволовые
структуры, лимбическую систему и корковые образования.
Приборы и материалы: прибор для измерения электропроводности
кожи “Поиск”, спирт, глицерин, вода, вата, акупунктурные топографические
карты кистей рук.
Задание:
1. Найти точку Хэ - Гу, Вань - Гу, Шэнь - Мэнь.
2. Определить изменения электропроводимости в зависимости от
влажности, давления, времени замера.
3. Зарисовать топографию точек на тыльной и ладонной поверхности кисти.
Лабораторная работа № 16
Изучение биопотенциалов сердца: электрокардиография (ЭКГ)
40
Электрокардиографией
называют
метод
регистрации
разности
потенциалов с поверхности тела человека, которая возникает во время
сокращения сердца и отражает электрические процессы возникающие в нем и
его физиологическое состояние.
Сердце рассматривают как генератор электрических токов, которые возникают
в момент сокращения сердечной мышцы и постепенно охватывают его
полностью. Процесс возбуждения сердечной мышцы отражают три
положительных зубца, направленных вверх (P, R, T), и двух отрицательных,
направленных вниз (Q, S), расслабление сердечной мышцы записывают как
прямую между зубцами T и P. Зубец P, или предсердный комплекс, является
алгебраической суммой потенциалов, возникающих в правом и левом
предсердии (правое –положительные, а левое – отрицательные. QRST –
желудочковый комплекс, отражающий возбуждение и сокращение желудочков.
Особенности каждого из зубцов, их аплитуда и длительность, характеризуют
два основных физиологических свойства сердечной мышцы: вобудимость и
проводимость.
На рисунке представлена схема типичной ЭКГ.
Приборы и материалы: Электрокардиограф, электроды, физиологический
раствор, марля, медицинская кушетка. Работу студенты проводят на себе.
Ход работы: Обследуемого укладывают на кушетку. Электроды располагают
на запястья и голени, положив под них влажные марлевые прокладки. Левая
рука - желтый, левая нога - зеленый, правая рука – красный, правая нога –
черный. Электрод на правой голени является
заземляющим и
индифферентным. Регистрацию проводят в стандартных отведениях I, II и III.
(I отведение- от правой и левой руки, II отведение- от правой руки и левой
ноги, III отведение- левой руки и левой ноги). Перед регистрацией записывают
колибровочный сигнал 1мВ=1 см. У каждогоиспытуемого записывают не менее
3-7 циклов сокращения в каждом отведении.
Задание 1. Определяют амплитуду и длительность зубцов P,Q,R,S; находят
длительность сердечного цикла и частоту сердечных сокращений. Измеряют
интервалы P-Q; QRS; Q,T. Анализируют состояние сердца, сравнивая с
данными, типичными для нормы (см. таблицу).
Таблица1. Показатели нормальной ЭКГ человека
Зубцы ЭКГ, амплитуда А в мВ; длительность Д в с
P
Q
R
S
T
Интервалы, с
А
Д
А Д
А Д
А Д
А Д
P
Q Q ST RR
41
0.050.25
00.1
00.2
max.
0,03
0,31,6
max.
0,03
00,03
max.
0,03
0,25
-0,6
max.
0,25
Q
R
S
R
ST
0,12
-0,2
0,06
0,09
0,30
0,49
0,0,15
0,7-1
(зависит
от частоты пульса)
Задание 2. Определите положение электрической оси сердца – найдите угол 
Для этого в каждом отведении необходимо найти разницу R-(Q+S), усреденную
о
по 3-5 циклам с учетом того, что амплитуды зубцов – векторные величины. От
середины стороны равностороннего треугольника, согласно рисунку,
откладывают полученные разницы. Из полученных точек осстанавливают
перпендикуляры, к пересечению которых из центра треугольника строят
вектор. Полученный угол в норме должен быть около 35о-70о
Заболевания левого желудочка, особенно его гипертрофия, вызывают резкое
отклонение влево электрической оси, а поражения правого желудочкаотклонение оси вправо.
Для определения патологии используют специальные пробы – ЭКГ
регистрируют до и после нагрузки.
1. Ортостатическая проба. ЭКГ регистрируют в положении испытуемого
лежа и сразу, как он встанет. В норме допустимо лишь небольшое учащение
ритма.
2. Проба с физической нагрузкой. Физическую нагрузку нагрузку дозируют,
наиболее часто используют а) 20 приседаний, б) быстрый 15 или 20 секундный
бег на месте.
42
При хорошем функциональном состоянии сердца после физической
нагрузки допустимы следующие изменения ЭКГ:
- увеличение частоты сокращений на 50-60% по сравнению с исходной и
сохраняется синусовый ритм;
- положение электрической оси изменяется несущественно;
- интервал P-Q не меняется или чуть укорачивается;
- длительность QRS не меняется или чуть укорачивается;
- смещение изоэлектрической линии не более 1 мм;
- изменение эубца Р не более чем на 3 мм;
- восстановление всех исходных показателей через 5 минут отдыха.
Оформление работы
Электрокардиограммы, зарегистрированные до и после нагрузок вклеивают в
тетрадь, обозначают зубцы и интервалы, строят электрические оси.
Найденные значения сравнивают с физиологической нормой. Делают вывод
о изменении ЭКГ динамике восстановления.
Вопросы для закрепления:
1. Расскажите о строении сердечной мышцы
2. Вспомните строение проводящей системы сердца
3. Какие процессы происходят при деполяризации и
реполяризации мышечных волокон
4. Что такое электрический диполь
5. Зачем необходимо заземление пациента
Лабораторная работа № 17
Регистрация потенциала действия в нервно-мышечном
препарате лягушки
Возбудимые ткани - нервная и мышечная способны генерировать
электрические импульсы-потенциалы действия, или спайки. В спокойном
состоянии у клетки между внутренней и наружной поверхностями мембраны
есть разность потенциала около 70-90 мВ, которая связана с наличием
концентрационного градиента ряда ионов, в основном калия. Это потенциал
покоя (ПП).
При возбуждении меняется проницаемость мембраны для ионов,
начинается
проникновение ионов натрия во внутрь клетки, процесс
происходит лавинообразно. Генерация потенциала действия завершается, когда
мембрана на участке возбуждения приобретает нулевой или небольшой
положительный потенциал. Затем резко возрастает проницаемость для калия, и
он выходит из клетки, что приводит к уменьшению потенциала до потенциала
покоя. Движение ионов через мембрану связано с активностью ионных
каналов, правление которыми осуществляется при участии ионов кальция.
Вначале открываются каналы для ионов натрия, а затем для калия.
Генерация ПД происходит по принципу “все или ничего”, затем он
распространяется вдоль нервного волокна практически без затухания.
43
Синапсы – возбуждающие или тормозные могут влиять на ПД, воздействуя
непосредственно на мембранные потенциалы. Т.е. при деполяризации
мембраны возникает возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), а
при гиперполяризации возникает тормозной постсинаптический потенциал
(ТПСП).
При стимуляции нервного волокна электрическими
импульсами
происходит изменение проницаемости и деполяризация мембраны, что
приводит к генерации ПД. Примерный график изменения потенциала приведен
на рисунке.
Приборы и материалы: Осциллограф, биоусилитель, стимулятор, влажная
камера, электроды, регистрирующие и стимулирующие, раствор Рингера для
лягушек, хирургический инструмент, лягушки.
Ход работы: 1. Обездвиживают животное и готовят нервно-мышечный
препарат из икроножной мышцы и седалищного нерва.
2.Помещают готовый препарат во влажную камеру.
4. Стимулирующие электроды вводят в седалищный нерв.
5. Включают осциллограф и электростимулятор, установив ждущий режим
осциллографа.
6. Выход синхронизации с электростимулятор соединяют с гнездом запуска
генератора разверстки осциллографа.
7. Подбирают величину и амплитуду стимулирующего сигнала такой, что
бы на экране осциллографа наблюдалось устойчивое изображение
двухфазного ПД.
8. Зарисовывают полученные кривые с помощью кальки, накладываемой на
экран.
9. Определите величину и длительность положительной и отрицательной
фазы ПД.
10.Оформите результаты и выводы в тетради.
Вопросы:
1. Что такое ПП
2. Какое действие оказывают синапсы
3. Почему важно присутствие ионов кальция
для нормальной
жизнедеятельности
Использованная литература
Шмелев В.П., Артюхов В.Г., Бутурлакин М.С., Жуков Ю.А. Практикум по
биофизике. //Изд-во ВГУ, Воронеж, 1973, с.132.
Самосюк И.З., Лысенюк В.П. Механизмы акупунктуры. // 6с.
44