Гидравлическое сопротивление в различных отделах кровеносной системы. Объемная и линейная скорость кровотока в зависимости от поперечного сечения сосудов.

Движение крови по сосудам (гемодинамика), как и движение любой жидкости, подчиняется закону гидродинамики в соответствии с которым жидкость течет от области большего давления к меньшему. Диаметр сосудов от аорты постепенно уменьшается, поэтому возрастает сопротивляемость сосудов току крови. Этому еще больше способствует вязкость и увеличивающее трение частиц крови между собой. Поэтому движение крови в разных участках сосудистой системы неодинаково и оно обуславливается следующими факторами:

1. Разницей давления в артериальных и венозных концах сосудов или в начале и в конце сосуда (Р₁ - Р_2), что способствует движению крови.

2. Сопротивлением просветов сосудов (Х), препятствующим току крови и получавшим название гидравлическое сопротивление. Давление – это сила, действующая со стороны крови на сосуды, приходящаяся на единицу площади: P = F/S. Объемная скорость (Q) – величина, численно равная объему жидкости, перетекающему в единицу времени через данное сечение трубы. Q = V/t, м³/c, Линейная скорость – путь, проходимый частицами крови в единицу времени: V = l/t, м/c. Линейная и объемная скорости связаны простым соотношением Q = V/S, где S – площадь поперечного сечения потока жидкости. Так как жидкость несжимаемая (то есть ρ ее всюду одинакова, то через любое сечение трубы и в единицу времени протекает одинаковые объемы жидкости: Q= V S = постоянное – это называется условием неразрывности струи (вытекает из закона сохранения массы для несжимаемой жидкости). Это уравнение относится в равной мере к движению всякой жидкости, в точности и вязкой. Количество циркулирующей крови в организме постоянно, отсюда следует, что объемная скорость в любом сечении сосудистой системы так же постоянна: Q – постоянна. Гидравлическое сопротивление: X = 8ηl/(πR⁴), X тем больше, чем больше вязкость η, длина l трубы и меньше площадь поперечного сечения. Закон Пуазейля Q = πR⁴ / 8η • ∆P/l; ∆P = P₁ – P₂ – падение давления – это разность давлений у входа в трубку (P₁) и на выходе из нее (P₂) на расстояние l). ∆P = Q X, X зависит от радиуса сосуда X = 1/ R⁴ от сюда следует, X_аор: X_ар: X_кап = 3000: 500: 1.

Наибольшая скорость в аорте (400–500 мм/с), по удалению от которой она уменьшается и уже в артериях составляет 150–200 мм/с, а в капиллярах всего лишь — 0,5 мм/с, так как общая сумма поперечных сечений всех функционирующих капилляров в 600—800 раз больше сечения аорты. Следовательно, чем больше общая величина площади сечения совокупности сосудов, тем меньшая линейная скорость кровотока. В венах эта скорость постепенно возрастает и в полых венах достигает уже 200 мм/с, так как суммарное поперечное сечение полых вен уменьшается.

Объем крови, протекающей за 1 мин по сосудам в любом участке замкнутой системы, одинаков: приток крови к сердцу равен его оттоку. Следовательно, низкая линейная скорость кровотока должна компенсироваться увеличением суммарного просвета сосудов. Сохранение постоянной объемной скорости кровотока при малом суммарном просвете сосудов происходит за счет высокой линейной скорости.

14. Эквивалентная электрическая модель сердечно-сосудистой системы. Дипольный генератор электрического поля. Уравнение для потенциала электрического поля дипольного генератора на поверхности объёмного проводника. Схема электрического поля сердца.

R

 

Так выглядит простейшая электрическая модель сердечно-сосудистой системы. Здесь источник U, дающий несинусоидальное переменное напряжение, служит аналогом сердца, выпрямитель D – сердечного клапана. Выпрямитель — преобразователь переменного электрического тока в постоянный электрический ток, сглаживает пульсацию. Конденсатор С в течение полупериода накапливает заряд, а затем разряжается на резистор R, таким образом происходит сглаживание силы тока, протекающего через резистор. Действие конденсатора аналогично действию упругого резервуара (аорты, артерии), который сглаживает колебание давления крови в артериолах и капиллярах. Резистор является электрическим аналогом периферической сосудистой системы.

R₂ I₂

U(t) C₁ R₃

 

 

 

Это электрический аналог модели Ростона. Здесь источник тока задает пульсирующее напряжение U(t), являющийся аналогом давления; С₁ и С₂ соответствуют упругостям; электрические сопротивления R₁, R₂, R₃ – гидравлическим сопротивлениям; силы тока I₁ и I₂ – объемным скоростям крови.

Каждая клетка сердечной мышцы создаёт электрическое поле. Электрическое поле сердца в целом образуется наложением электрических полей отдельных клеток. Изменения электрического поля сердца происходят при деполяризации и реполяризации мембраны клеток сердца. Эти изменения достаточны, чтобы создать изменения разности потенциалов между различными точками поверхности тела и чтобы обнаружить указанные изменения на большом расстоянии от их источника.

Мембранный потенциал покоящейся клетки не вызывает появления потенциала в любой точке тела. Клетка, несущая импульс, может быть поделена на две части: покоящуюся и активную. Покоящаяся часть имеет неизменный мембранный потенциал. Активная часть имеет потенциал, равный величине потенциала действия. Переход между двумя частями происходит в какой-либо точке.

На рис. показана диаграмма осевого сечения клетки с волной деполяризации около центра (A). Электрический потенциал в любой внешней точке такой, какой мог бы быть получен, если бы заряды мембраны располагались в поперечном сечении (Б). Таким образом, каждая из возбужденных сердечных клеток представляет собой диполь, который имеет элементарный дипольный момент определенной величины и направления.

В любой момент возбуждения, дипольные моменты отдельных клеток суммируются, формируя суммарный дипольный момент всего сердца. Суммарный дипольный момент сердца является результатом наложения дипольных моментов клеток. Вот почему сердце можно рассматривать как дипольный электрический генератор.

Направление суммарного дипольного момента сердца часто называют электрической осью сердца. Этот дипольный момент определяет величину разности электрических потенциалов, записанную на поверхности тела. Электрический потенциал, измеренный в любой точке, отдалённой от источника, зависит главным образом от величины суммарного дипольного момента сердца и угла между его направлением и осью отведения ЭКГ.

15. Мембранология как наука. Определение понятия биологическая мембрана. Функции мембраны. Современная жидко – кристаллическая мозаичная модель мембраны.

Биофизика мембран – важнейший раздел биофизики клетки, имеющий большое значение для биологии. Многие жизненные процессы протекают на биологических мембранах. Нарушение мембранных процессов – причина многих патологий. Живая клетка – открытая система. Важнейшим условием существования клетки и, следовательно, жизни – нормальное функционирование биологических мембран.

Три основные функции биологических мембран:

1). Барьерная – обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой (регулируемый – проницаемость мембран для определенных веществ меняется в зависимости от генома и функционального состояния клетки).

2). Матричная – обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие.

3). Механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур. Кроме того, биологические мембраны выполняют и другие функции: а). Энергетическую – синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов, б). Генерацию и проведение биопотенциалов, в). Рецепторную (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция – мембранные процессы) и многие другие функции.

 

В настоящее время наиболее широкое признание получила жидко-мозаичная модель устройства биологических мембран, предложенная в 1972 году С.Сингером и Г.Николсоном. Согласно этой модели, основу мембраны составляет липидный бислой, в который погружены белки. Белки, интегрированные в бислой, удерживаются в нём за счёт ван-дер-вальсовых взаимодействий с углеводородными цепями молекул липидов. Белки, расположенные на поверхности мембраны, образуют нековалентные взаимодействия с интегрированными в бислой белками и заряженными головками липидов.

Жидкомозаичная модель допускает возможность движения липидов и белков, которые способны передвигаться только в плоскости мембраны, создавая за счёт контактных взаимодействий небольшие агрегаты с белками того же типа. Таким образом, в данной модели особая роль отводится динамическому характеру мембраны и зависимости функционирования белковых молекул от физических свойств окружающих их липидов.

В 1977 году М.Джейном и Г.Уиттом была предложена доменная модель устройства биологической мембраны. Согласно этой модели, основу мембраны составляет липидный бислой с погруженными в него скоплениями, пластинками и платформами, не связанными жестко друг с другом. Упорядоченные домены могут состоять из одних липидов или только белков. Кроме того, домены могут состоять из разнородных компонентов – белков и липидов. Отдельные домены отличаются по своим физико-химическим характеристикам и разделены между собой полями относительно жидких липидов или разупорядоченными участками липидного бислоя. Некоторые из платформ пронизывают липидный бислой мембраны, другие находятся ближе к поверхности. Размер, форма, время жизни, подвижность таких доменов окончательно не выяснены.

Предполагается, что даже в организованных доменах могут быть структурные дефекты нескольких типов: разрывы, дислокации, субструктурные фазы. Возможно, что эти дефекты мембран служат своеобразными каналами, через которые осуществляется диффузия молекул по градиенту концентрации.