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文檔簡介

1、第一章:1.在熱力學的研究中,作為研究對象的物質(zhì)及其發(fā)生變化的范圍必需作出明確的規(guī)定。此范圍稱之為系統(tǒng),而在系統(tǒng)以外、與系統(tǒng)密切相關(guān)且影響所及的部分稱之為環(huán)境。2.系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系:三類系統(tǒng)孤立系統(tǒng),與環(huán)境無能量和物質(zhì)的交換;-熵封閉系統(tǒng),與環(huán)境僅有能量交換,而無物質(zhì)交換的系統(tǒng),簡稱閉系;-熱力學第一定律開放系統(tǒng),與環(huán)境交換能量和物質(zhì)的系統(tǒng),簡稱開系。-非平衡態(tài)熱力學3.狀態(tài)函數(shù)和狀態(tài)方程 描述體系狀態(tài)使用的量稱之為狀態(tài)函數(shù)或狀態(tài)變量,反映了體系的宏觀性質(zhì)。體系宏觀性質(zhì)的狀態(tài)函數(shù)之間的關(guān)系可以由狀態(tài)方程描述。 比如,對于理想氣體而言,壓力(p),體積(v),溫度(t)這三個狀態(tài)變量之間的關(guān)系可

2、以由下列狀態(tài)方程式描述: pv=rt其中r為氣體常數(shù)r=8.314410.00026j/(molk ) 。當p、v、t三個變量中的兩個決定了的時候,該理想氣體的狀態(tài)就可以確定了。4.狀態(tài)函數(shù)的特點 狀態(tài)函數(shù)單純的取決于系統(tǒng)的狀態(tài),即狀態(tài)一定,則描述該系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)也就一定。同樣地,如果狀態(tài)發(fā)生變化,則至少有一種參數(shù)隨之改變。 狀態(tài)函數(shù)的變化只取決于給定系統(tǒng)的初始和最終狀態(tài),而與變化過程中所經(jīng)歷的一切狀態(tài)和途徑無關(guān),這是熱力學的一個重要特點。 根據(jù)狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)不同,我們大致可將其分為如下兩類:1)容量性質(zhì)狀態(tài)函數(shù)此類參數(shù)的數(shù)值與系統(tǒng)中物質(zhì)的量成正比,即整個系統(tǒng)的容量性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值,是系統(tǒng)各

3、部分該參數(shù)數(shù)值的總和。例如,一杯水的體積是各部分體積的總和,所以體積是容量性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)。其他如質(zhì)量、熱容量等也均是容量性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)。(2)強度性質(zhì)狀態(tài)函數(shù)此類參數(shù)的數(shù)值與系統(tǒng)中物質(zhì)的量無關(guān),即整個系統(tǒng)的強度性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值與系統(tǒng)各部分該參數(shù)的數(shù)值相同。例如,一杯水的溫度與水的數(shù)量無關(guān),各部分水的溫度與整杯水的溫度是同一數(shù)值,所以溫度是強度性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)。其他如壓力、比容、密度等等亦是強度性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)。5.熱力學第一定律: 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界的一個基本規(guī)律。自然界中一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能被創(chuàng)造,也不可能被消滅,而只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。 熱力學第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定

4、律在熱力學中的應(yīng)用,它確定了熱能與其他形式能量相互轉(zhuǎn)換時在數(shù)量上的關(guān)系,其文字表述為:當熱能與其他形式能量相互轉(zhuǎn)換時,能的總量保持不變。熱力學第一定律還有一種等式表述如下:進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲存能量的變化。封閉系統(tǒng)熱力學第一定律的數(shù)學表達6.熱力學能(內(nèi)能):熱力學能,簡稱熱能,又稱內(nèi)能,它主要是指系統(tǒng)內(nèi)部一切形式的能量的總和,包括組成系統(tǒng)的所有粒子的各種運動能、相互作用能和與粒子結(jié)構(gòu)有關(guān)的化學能。 它主要是指系統(tǒng)內(nèi)部一切形式的能量的總和,包括組成系統(tǒng)的所有粒子的各種運動能、相互作用能和與粒子結(jié)構(gòu)有關(guān)的化學能。運動能主要包括粒子的移動動能、粒子的轉(zhuǎn)動動能和原子振動動能,也稱系

5、統(tǒng)的內(nèi)動能,它是溫度的函數(shù);相互作用能主要指系統(tǒng)內(nèi)部具有克服粒子間相互作用力所形成的粒子位能,也稱系統(tǒng)的內(nèi)位能,它是比容和溫度的函數(shù);系統(tǒng)的熱力學能是其質(zhì)量、溫度和比容的函數(shù),也是一個狀態(tài)函數(shù),通常用u表示,單位為焦耳(j)。熱力學能具有以下性質(zhì):(1)系統(tǒng)的狀態(tài)一定時,其熱力學能是一單值函數(shù);(2)熱力學能的絕對值是無法確定的;(3)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時,其熱力學能的改變值只取決于系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)。 7.熱力學第一定律的數(shù)學表達 :為了定量的分析系統(tǒng)在熱力過程中的能量變化,我們根據(jù)前面講述的內(nèi)容,得出了封閉系統(tǒng)熱力學第一定律的數(shù)學表達 式中u代表系統(tǒng)內(nèi)能的變化。內(nèi)能增加,u0;內(nèi)能減少,u0。

6、q代表在熱力過程中封閉系統(tǒng)與外界交換的凈熱量。系統(tǒng)吸熱,q0;系統(tǒng)放熱,q0。w為封閉系統(tǒng)通過邊界與外界交換的凈功。環(huán)境對系統(tǒng)做功,w0;系統(tǒng)對環(huán)境做功,w0。功包括機械功、體積功、電功、表面功等形式。體積功的計算:8.基礎(chǔ)代謝的定義: 人體在1825室溫下,空腹、平臥并處于清醒、安靜的狀態(tài)稱為基礎(chǔ)狀態(tài)。 維持心跳、呼吸等基本生命活動所必需的最低能量代謝,稱基礎(chǔ)代謝(bm)。其數(shù)值與性別、年齡、身高、體重、健康狀況有關(guān)。 機體產(chǎn)生的能量最終全部變?yōu)闊崮?,因此為了比較不同個體能量代謝的水平,可用機體每小時每平方米體表面積散發(fā)的熱量(kj/hm2),即基礎(chǔ)代謝率(bmr)來表示。 它并非人體的最低

7、代謝率,因為熟睡時比清醒時代謝率還要低810%;基礎(chǔ)代謝率的異常變化是一些疾病的征兆,如,甲狀腺機能不足,低2040%;亢進,高出2580%9.呼吸商和氧熱摩爾 10.熱力學第二定律熱力學第一定律指出,隔離體系中,能量是守恒的;熱力學第二定律則要闡述兩個問題:(1)熱和功等能量形式的轉(zhuǎn)化是有方向的,因而實際能夠進步的過程也有一定的方向。如在隔離體系中,自發(fā)進行的方向:氣體的自發(fā)膨脹;熱物體可以自發(fā)冷卻;重物自發(fā)下落。(2) 熱轉(zhuǎn)化為功是有限度的。熱力學第二定律是從討論能量轉(zhuǎn)化的方向和限度問題,引入的熵函數(shù),并導出了其它熱力函數(shù),來討論實際過程如化學反應(yīng)的方向和限度。11.自發(fā)變化的共同特征 -

8、不可逆性自發(fā)變化是指能夠自動發(fā)生的變化,即無需外力幫忙,任其自然,不去管它,即可發(fā)生的變化。而自發(fā)變化的逆過程則不能自動進行。這種自發(fā)變化在實際生活當中的例子是很多如:熱量由高溫物體傳入低溫物體,它的逆過程不會自動進行,即熱不能自動從低溫物體傳到高溫物體。在焦耳的熱功當量實驗中,重物下降,帶動攪拌器,量熱器中的水被攪拌,從而水溫上升。而它的逆過程不會自動進行,即水的溫度不會自動降低,而重物被舉起,即不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣Γ话l(fā)生其它的變化。從上面例子可以看出,一切自發(fā)變化都有一定的變化方向,并且都是不會自動逆向進行,這就是自發(fā)變化的共同特征。即:自發(fā)變化是不可逆過程。 這個結(jié)論

9、是經(jīng)驗的總結(jié),也是熱力學第二定律的基礎(chǔ)。可逆過程: 過程正反各一次,系統(tǒng)和外界都完全恢復原狀,不引起其他變化。也就是準靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)不可逆過程:欲使系統(tǒng)和外界都恢復原狀,必引起其他變化.結(jié)論:自發(fā)的熱過程都是不可逆過程;不可逆過程是由不可逆因素引起的;不可逆因素包括:耗散效應(yīng),有限勢差;所有的不可逆過程在其不可逆這一點上是完全等價的.自發(fā)過程的共同特征是熱力學不可逆過程,對這一客觀規(guī)律,總結(jié)出一個普通原理,這就是熱力學第二定律(second law of thermodynamics)幾種表述: “熱不能自動從低溫物體傳到高溫物體”-克勞修斯說法 “不能制造出一種循環(huán)操作的機器,其作用只

10、是從單一熱源吸熱并將一重物舉起”-開爾文說法 “第二類永動機不可能造成的”“隔離體系中自發(fā)過程向著熵增大的方向進行”幾點說明:三種表述都是等效。對熱不能完全變?yōu)楣Φ睦斫猓仨毷遣灰鹌渌兓癁闂l件。 熱不能從低溫轉(zhuǎn)入高溫,強調(diào)自動,即不需外界幫忙。熱力學第二定律是在蒸氣機發(fā)展的推動下建立起來,本來的目的是為了解決熱功轉(zhuǎn)化的方向和限度,即蒸氣機的熱轉(zhuǎn)化為功的效率。但是通過大量的實踐證明了它也是研究所有宏觀(包括化學變化)的方向和限度的基礎(chǔ)。11.昂薩格(onsager)提出線性唯象系數(shù)滿足如下關(guān)系:即第 i 種力對第 j 種流的影響與第 j 種力對第 i 種流的影響相同。這一關(guān)系稱為昂薩格倒易關(guān)

11、系,它具有極大的普遍性,已得到許多實驗事實的支持,它是線性非平衡態(tài)熱力學的一條基本定理。 9. 卡若循環(huán);卡若效率為了找出熱機實際效率的極限,卡諾根據(jù)蒸氣機的四個過程,設(shè)想了由可逆過程構(gòu)成的循環(huán)過程,工質(zhì)為理想氣體理想氣體的卡諾循環(huán)。 用p v表示為: 卡諾效率為卡諾可逆熱機的效率10. 熵(s) s為狀態(tài)函數(shù),量綱 j/k。 隔離體系的熵永不減少熱力學第二定律的第三種表述。12. . 理想氣體的熵計算熱力學第二定律本質(zhì),結(jié)論:一切自發(fā)過程,都是向熵增加方向進行,或向著混亂度增加的方向進行。這是熱力學第二定律所闡明的不可逆過程的本質(zhì)。 玻爾茲曼熵公式把宏觀狀態(tài)量s與微觀量子態(tài)數(shù),即宏觀態(tài)出現(xiàn)的

12、概率聯(lián)系起來,揭示了熵函數(shù)的統(tǒng)計意義。11. 昂賽格倒易關(guān)系;p9 jp=lx13.非平衡態(tài)熱力學因為,經(jīng)典熱力學處理的問題是平衡態(tài),它對熵趨向于極大值的論斷,是指孤立系統(tǒng)而言的。生命系統(tǒng),無疑是開放的系統(tǒng),不斷地與外界進行著物質(zhì)與能量的交換。所以,研究生命特征的熱力學只能與開放系統(tǒng)、非平衡態(tài)或稱之為不可逆過程的熱力學聯(lián)系在一起。熱力學第二定律說明了孤立系統(tǒng)中進行的自然過程有方向性: 有序 無序 (退化,克勞修斯提出)自然界實際上也存在許多相反的過程:無序 有序 (進化,達爾文提出)一個系統(tǒng)由無序變?yōu)橛行虻淖匀滑F(xiàn)象稱為自組織現(xiàn)象。自組織現(xiàn)象是與熱力學第二定律的 有序 無序 時間箭頭相矛盾的!要

13、將它們用物理學規(guī)律統(tǒng)一起來,必須抓住孤立系統(tǒng)與開放系統(tǒng)的區(qū)別。系統(tǒng)的分類:a 孤立系統(tǒng):與環(huán)境既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換b 封閉系統(tǒng):與環(huán)境有能量交換,但沒有物質(zhì)交換c 開放系統(tǒng):與環(huán)境既有能量交換,也有物質(zhì)交換為了找出從無序到有序轉(zhuǎn)化的規(guī)律,就需要研究系統(tǒng)離開平衡態(tài)時的行為。系統(tǒng)離開平衡態(tài)是在外界影響下發(fā)生的。當外界的影響(如產(chǎn)生的溫度梯度或密度梯度)不大,以致在系統(tǒng)那引起的不可逆響應(yīng)(如產(chǎn)生的熱流或物質(zhì)流)也不大,而認為二者間只有簡單的線性關(guān)系時,可以認為系統(tǒng)很接近于平衡態(tài)的情況,即所謂非平衡態(tài)的線性區(qū)。以這種情況為研究對象的熱力學叫做線性非平衡態(tài)熱力學。如果外界的影響是恒定的,系統(tǒng)最終

14、會達到一個不隨時間變化的狀態(tài)。這種穩(wěn)定的非平衡態(tài)叫做非平衡定態(tài)。對自組織現(xiàn)象的研究在本世紀前半葉首先是從近平衡態(tài)區(qū),即線性區(qū)開始的,而對非平衡態(tài)的研究則更加引起了人們的注意。非平衡態(tài)熱力學指出了在遠離平衡時出現(xiàn)分支現(xiàn)象和對稱破缺不穩(wěn)定現(xiàn)象的可能性,從而為用物理學或化學原理來解釋自然界中出現(xiàn)的各種宏觀有序現(xiàn)象掃清了最主要的障礙。非平衡態(tài)熱力學并不是拋棄經(jīng)典熱力學的基本結(jié)論,例如熱力學第二定律,而是給以新的解釋和重要的補充,從而使人們對自然界的發(fā)展過程有了一個比較完整的認識在平衡態(tài)附近,發(fā)展過程主要表現(xiàn)為趨向平衡態(tài)或與平衡態(tài)有類似行為的非平衡定態(tài),并總是伴隨著無序的增加與宏觀結(jié)構(gòu)的破壞;而在遠離平

15、衡的條件下,非平衡定態(tài)可以變得不穩(wěn)定,發(fā)展過程可以經(jīng)受突變,并導致宏觀結(jié)構(gòu)的形成和宏觀有序的增加。這種認識不僅為弄清物理學和化學中各種有序現(xiàn)象的起因指明了方向,也為闡明像生命的起源、生物進化以至宇宙發(fā)展等復雜問題提供了有益的啟示,更有助于人們對宏觀過程不可逆性的本質(zhì)及其作用的認識。第3章 :矢量分析和場1矢量、標量;2.矢量點積,x積3.標量場梯度,矢量場散度 散度作為由每單位體積流出量的一種度量等價于電源密度。 4. 單極子,偶極子;泊松方程 第4章 :細胞與細胞膜1. 細胞膜化學組成:主要由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。此外還有糖類,以糖蛋白和糖脂的形式存在。2. 細胞膜的結(jié)構(gòu):液態(tài)鑲嵌式模型

16、,亦稱流動鑲嵌模型。3. 細胞的通透性:選擇通透性,即有選擇地進行物質(zhì)交換,是細胞最基本的生命活動之一。不同的細胞,在不同的條件下對不同的物質(zhì),通透性的大小有所不同。通透的物質(zhì),包括水、非電解質(zhì)和電解質(zhì),如糖、氨基酸、鉀和鈉等離子。研究細胞對各種物質(zhì)的通透性,通常采用體積大、結(jié)構(gòu)較簡單的分散細胞,如細菌、粗大的神經(jīng)軸突等。生物膜,半透膜:一種只允許某些物質(zhì)透過,而不允許另一些物質(zhì)透過的薄膜,如動物的膀胱膜、細胞膜、毛細血管壁、人工制備的火棉膠膜等,不同的半透膜通透性不同。滲透:水分子易于從溶質(zhì)濃度低的一側(cè)經(jīng)過半透膜運動到溶質(zhì)濃度高的一側(cè)。水能透過細胞膜,各種細胞對水的通透性的大小不同。產(chǎn)生滲透

17、現(xiàn)象和滲透壓必須具備兩個條件:1.在溶劑(例如水)中必須有溶質(zhì)存在,構(gòu)成溶液;2.需存在只能透過溶劑而不能透過溶質(zhì)或只能透過小分子而不能透過大分子的半透膜。滲透壓:水的滲透速率決定于細胞膜內(nèi)外的滲透壓。將半透膜m(只能透過溶劑的纖維素膜、膀胱膜)隔開,當注入溶劑于i,注入溶液(溶劑加溶質(zhì))于ii時,i中的溶劑將通過m向ii滲入,ii的液位h升高,最后達到平衡。設(shè)d為溶液密度,g為重力加速度,ii比i承受的靜液壓要大: =pii - pi =dgh 這個就是滲透壓,在生理學上它也是重要的物理化學常數(shù)之一滲透壓(osmotic pressure)的定義是:將純?nèi)軇┡c溶液用半透膜隔開,為了維持滲透平

18、衡所需要施加于溶液的額外壓力。符號為,單位為pa或kpa。半透膜的存在和膜兩側(cè)單位體積內(nèi)溶劑分子數(shù)不相等是產(chǎn)生滲透現(xiàn)象的兩個必要條件。滲透的方向總是溶劑分子從純?nèi)軇┫蛉芤?,或是從稀溶液向濃溶液一方遷移。vant hoff定理:1886年范特荷甫(vant hoff)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出一條規(guī)律:對稀溶液來說,滲透壓與溶液的濃度和溫度成正比,它的比例常數(shù)就是氣體狀態(tài)方程式中的常數(shù)r。這條規(guī)律稱為范特荷甫定律。用方程式表示如下: v=nrt =crt式中為稀溶液的滲透壓,v為溶液的體積,c為溶液的濃度,r為氣體常數(shù),n為溶質(zhì)的物質(zhì)的量,t為絕對溫度。常數(shù)r的數(shù)值與和v的單位有關(guān),當?shù)膯挝粸閗pa,v的

19、單位為升(l)時,r值為8.31kpalk-1mol-1。范特霍甫定律的數(shù)學表達式表明,在一定溫度下,難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的滲透壓與單位體積溶液中溶質(zhì)的物質(zhì)的量成正比,而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。 對于稀溶液,其物質(zhì)的量濃度(c)近似地等于質(zhì)量摩爾濃度(bb),又可寫成 bb rt 定義:溶液中某溶質(zhì)b的物質(zhì)的量除以溶劑的質(zhì)量,稱為該溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度 例1 計算臨床輸液用的50.0gl1葡萄糖(c6h12o6)溶液在310.0k時的滲透壓。 解:葡萄糖(c6h12o6)的摩爾質(zhì)量為180.0gmol1,則 c=50.0/180.0=0.278mol l1 crt 0.2788.314310.0 7.

20、16102(kpa) 例2:將5.18g某蛋白質(zhì)溶于適量水中,配成1.00l溶液,在298.0k時測得溶液的滲透壓為0.413kpa,求此蛋白質(zhì)的摩爾質(zhì)量。 解:設(shè)此蛋白質(zhì)的摩爾質(zhì)量為mb (gmol1),已知蛋白質(zhì)質(zhì)量mb5.18g,溶液體積v1.00l。對于相同c的非電解質(zhì)溶液,在一定溫度下,因為單位體積溶液中所含溶質(zhì)的粒子(分子)數(shù)目相等,所以滲透壓是相同的。如0.3moll-1葡萄糖溶液與0.3moll-1蔗糖溶液的滲透壓相同。但是,相同c的電解質(zhì)溶液和非電解質(zhì)溶液的滲透壓則不相同。例如,0.3mol.l-1nacl溶液的滲透壓約為0.3mol.l-1葡萄糖溶液滲透壓的2倍。這是由于在

21、nacl溶液中,每個nacl粒子可以離解成1個na +和1個cl。而葡萄糖溶液是非電解質(zhì)溶液,所以0.3moll-1nacl溶液的滲透壓約為0.3 moll-1葡萄糖溶液的2倍。在37c(t=310k)時,葡萄糖溶液的濃度為0.30mol/l,=7.73105pa,但是對于nacl溶液只要濃度為0.15mol/l即可產(chǎn)生相等的滲透壓,因為一個分子nacl可以電離出na+和cl-兩個離子。等滲、低滲和高滲溶液溶液滲透壓的高低是相對的,滲透壓相等的兩種溶液稱為等滲溶液(isotonic solution),滲透壓不等的兩種溶液,滲透壓相對低的溶液稱為低滲溶液(hypotonic solution)

22、,滲透壓相對高的溶液稱為高滲溶液(hypertonic solution)。 醫(yī)學上的等滲、低滲和高滲溶液是以血漿的滲透濃度為標準確定的。臨床上規(guī)定:滲透濃度在280320 m moll1的溶液為生理等滲溶液;滲透濃度小于280 m moll1的溶液稱為低滲溶液;滲透濃度大于320 m moll1的溶液稱為高滲溶液。許多非電解質(zhì)能夠透過細胞膜。擴散:是物質(zhì)由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運動的自發(fā)過程。它傾向于消除該物質(zhì)在兩個區(qū)域的濃度差。擴散是熵增驅(qū)動的放能過程,物質(zhì)分子達到更加無序發(fā)布的隨意熱運動狀態(tài)。簡單擴散:被動輸運,沿濃度梯度的方向擴散設(shè)細胞外溶質(zhì)的濃度為c0,同種溶質(zhì)在細胞內(nèi)的濃度為ci。

23、又設(shè)這種溶質(zhì)的脂水分配系數(shù)為k,其定義為:式中cm及cw分別代表溶質(zhì)在脂內(nèi)和在水中的溶解度。為化合物在脂相和水相間達到平衡時的濃度比值,通常是以化合物在有機相中的濃度為分子,在水相中的濃度為分母。脂水分配系數(shù)越大,越易溶于脂,反之則越易溶于水。易溶于脂的物質(zhì)在機體內(nèi)呈現(xiàn)親脂性或疏水性,而易溶于水的現(xiàn)象成為親水性。當細胞外液及內(nèi)液中溶質(zhì)的濃度分別為co及ci時,在細胞膜的外表面內(nèi)的溶質(zhì)濃度為cmo=kco時,在細胞膜的內(nèi)表面內(nèi)的溶質(zhì)濃度為cmi=kci。設(shè)coci ,則cmocmi ,跨膜的濃度梯度為(cmo-cmi) / l ,其中l(wèi)代表膜的厚度。 jd代表單位時間內(nèi)通過單位膜面積溶質(zhì)遷移的量

24、,稱為擴散速率。d為單位濃度梯度時的擴散速率,稱為擴散系數(shù),隨細胞與溶質(zhì)的種類而不同。用p代表dkl,則上式寫成jd=p (co - ci) 式中p稱為通透系數(shù),可以代表某種細胞對某種溶質(zhì)通透性的大小。協(xié)助擴散:某些代謝所需物質(zhì),如葡萄糖、氨基酸、嘌呤、甘油等,能夠順濃度梯度進入某些細胞,如紅細胞、肌細胞、脂肪細胞等。這些物質(zhì),脂溶性小,分子較大,如果是按照簡單擴散的方式進入細胞,則通透性應(yīng)該很小,而實際上通透性較大。因此,認為細胞膜上存在著某種轉(zhuǎn)運系統(tǒng),能夠幫助這些物質(zhì)通過細胞膜。這種經(jīng)過轉(zhuǎn)運系統(tǒng)而又順濃度梯度的通透方式,稱為協(xié)助擴散。這種擴散具有飽和性與結(jié)構(gòu)特異性。設(shè)細胞放在某種溶液中溶液

25、濃度為co,若這種溶質(zhì)以協(xié)助擴散的方式進入細胞,擴散速率j隨co而增長,但不成正比,當co值大到一定程度時j趨于一固定值,最大的擴散速率以jm表示。進入細胞的擴散速率與外液濃度之間關(guān)系表示如下: 式中常數(shù)km代表擴散速率到達jm/2時的c0 協(xié)助擴散的特征: 1)轉(zhuǎn)運速率高(2)存在最大轉(zhuǎn)運速率,因此可用km值衡量某種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運速率。(3)km值反應(yīng)轉(zhuǎn)運的特異性(紅細胞質(zhì)膜d構(gòu)型葡萄糖km為1.5mmol/l,l構(gòu)型葡萄糖km大于3000mmol/l。(4)細胞膜上存在轉(zhuǎn)運蛋白,負責無機離子和水溶性有機小分子的跨膜轉(zhuǎn)運。與簡單擴散的比較: 協(xié)助擴散需要膜蛋白的幫助,并且比簡單擴散的速度要快幾個

26、數(shù)量級。 簡單擴散的速率與溶質(zhì)的濃度成正比,而膜蛋白幫助的協(xié)助擴散可以達到最大值, 當溶質(zhì)的跨膜濃度差達到一定程度時,協(xié)助擴散的速度不再提高。 在簡單擴散中,結(jié)構(gòu)上相似的分子以基本相同的速度通過膜,而在協(xié)助擴散中,運輸?shù)鞍拙哂懈叨鹊倪x擇性。如運輸?shù)鞍啄軌驇椭咸烟强焖龠\輸,但不幫助與葡萄糖結(jié)構(gòu)類似的糖類運輸。 與簡單擴散不同,運輸?shù)鞍椎膮f(xié)助擴散作用也會受到各種抑制。膜運輸?shù)鞍椎倪\輸作用也會受到類似于酶的競爭性抑制,以及蛋白質(zhì)變性劑的抑制作用。細胞對離子的通透性:細胞內(nèi)外,存在著na+、k+、ca2+、cl-等各種離子,它們在細胞內(nèi)外有不同的分布。 由于細胞內(nèi)有不能通過細胞膜的大分子陰離子,因而

27、細胞內(nèi)可以通透的陰離子(主要是cl-)的濃度小于細胞外。 陽離子(主要是k+ 、na+)在細胞內(nèi)外的濃度也不同。k+在細胞內(nèi)的濃度比細胞外大得多,而與此相反,na+在細胞外的濃度比細胞內(nèi)要大得多。 易化擴散:轉(zhuǎn)運系統(tǒng)主要是轉(zhuǎn)運蛋白。(被動轉(zhuǎn)運)4. 總通量當擴散和電場力同時存在時的總通量nernst-planck方程方程描述了在擴散和電場力影響下p離子的通量。p離子的通量乘以每mol離子所帶的電荷數(shù)fzp后,該通量密度就變?yōu)殡娏髅芏龋旱?章 細胞膜電位1.興奮:不同組織或細胞受刺激而發(fā)生反應(yīng)時,外部可見的反應(yīng)形式有可能不同,如各種肌細胞表現(xiàn)機械收縮,腺細胞表現(xiàn)分泌活動等,但所有這些變化都是由刺

28、激引起的。 2.興奮性:當這些組織受到一些外加的刺激因素(如機械的、化學的、溫熱的或適當?shù)碾姶碳ぃ┳饔脮r,可以應(yīng)答性出現(xiàn)一些特定的反應(yīng)或暫時性的功能改變。這些活組織或細胞對外界刺激發(fā)生反應(yīng)的能力。3.閾強度 3.可興奮細胞或可興奮組織:在各種動物組織中,一般以神經(jīng)和肌細胞,以及某些腺細胞表現(xiàn)出較高的興奮性;這就是說它們只需接受較小的程度的刺激,就能表現(xiàn)出某種形式的反應(yīng)。4.動作電位:指可興奮細胞受到刺激而興奮時,在靜息電位的基礎(chǔ)上膜兩側(cè)的電位發(fā)生快速而可逆的倒轉(zhuǎn)和復原。這種電位變化稱作動作電位。極化(polarization)膜兩側(cè)存在的內(nèi)負外正的電位狀態(tài)。去極化(depolarization

29、)膜電位絕對值逐漸減小的過程。超極化(over-polarization)膜電位絕對值高于靜息電位的狀態(tài)。復極化(repolarization)膜電位去極化后逐步恢復極化狀態(tài)的過程。動作電位包括三個基本過程:(1)去極化,膜內(nèi)原來存在的負電位迅速消失,即膜電位的極化狀態(tài)消失。(2)反極化,繼去極化之后,進而發(fā)展為極化狀態(tài)倒轉(zhuǎn),即轉(zhuǎn)變?yōu)槟?nèi)為正,膜外為負。(3)復極化,膜內(nèi)電位達到頂峰后開始下降,恢復至原來靜息電位水平。5.刺激:可以泛指細胞所處環(huán)境因素的任何改變;亦即各種能量形式的理化因素的改變,都可能對細胞構(gòu)成刺激。6.閾值:把引起組織興奮、即產(chǎn)生動作電位所需的最小刺激強度,作為衡量組織興奮

30、性高低的指標;強度小于閾值的刺激,稱為閾下刺激;閾下刺激不能引起興奮或動作電位,但并非對組織細胞不產(chǎn)生任何影響。閾值越小,說明組織的興奮性越高。細胞水平的生物電現(xiàn)象主要有兩種表現(xiàn)形式,這就是它們在安靜時具有的靜息電位和它們受到刺激時產(chǎn)生的動作電位。7.靜息電位:細胞未受刺激時存在于細胞內(nèi)外兩側(cè)的電位差。 在靜息狀態(tài)下,細胞膜內(nèi)k+的高濃度和安靜時膜主要對k+的通透性,是大多數(shù)細胞產(chǎn)生和維持靜息電位的主要原因。(k+的平衡電位)膜兩側(cè)的電-化學(濃度)勢代數(shù)和為零時,將不會再有k+的跨膜凈移動 。7.極化電位極化電位就是電極在通過電流前后,其電位的差值,分陽極極化電位和陰極極化電位,即:陽極初始

31、電位、陰極初始電位與平衡電位的差值。8.nernst電位:12. 戈德曼方程推導(重要)9. 細胞膜的電學模型(畫圖、公式推導)背上11. 必須背上動作電位 (1)概念:可興奮組織或細胞受到閾上刺激時,在靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生的快速、可逆轉(zhuǎn)、可傳播的細胞膜兩側(cè)的電變化。動作電位的主要成份是峰電位。 (2)形成條件: 細胞膜兩側(cè)存在離子濃度差,細胞膜內(nèi)k+濃度高于細胞膜外,而細胞外na+、ca2+、cl-高于細胞內(nèi),這種濃度差的維持依靠離子泵的主動轉(zhuǎn)運。(主要是na+-k+泵的轉(zhuǎn)運)。 細胞膜在不同狀態(tài)下對不同離子的通透性不同,例如,安靜時主要允許k+通透,而去極化到閾電位水平時又主要允許na+通透

32、。 可興奮組織或細胞受閾上刺激。 (3)形成過程:閾刺激細胞部分去極化na+少量內(nèi)流去極化至閾電位水平na+內(nèi)流與去極化形成正反饋(na+爆發(fā)性內(nèi)流)達到na+平衡電位(膜內(nèi)為正膜外為負)形成動作電位上升支。 膜去極化達一定電位水平na+內(nèi)流停止、k+迅速外流形成動作電位下降支。 (4)形成機制:動作電位上升支na+內(nèi)流所致。 動作電位的幅度決定于細胞內(nèi)外的na+濃度差,細胞外液na+濃度降低動作電位幅度也相應(yīng)降低,而阻斷na+通道(河豚毒)則能阻礙動作電位的產(chǎn)生。 動作電位下降支k+外流所致。 動作電位時細胞受到刺激時細胞膜產(chǎn)生的一次可逆的、可傳導的電位變化。產(chǎn)生的機制為閾刺激或閾上刺激使膜

33、對na+的通透性增加, na+順濃度梯度及電位差內(nèi)流,使膜去極化,形成動作電位的上升支。na+通道失活,而 k+通道開放,k+外流,復極化形成動作電位的下降支。鈉泵的作用,將進入膜內(nèi)的na+泵出膜外,同時將膜外多余的 k+泵入膜內(nèi),恢復興奮前是離子分布的濃度。 膜電位/靜息電位 :細胞生命活動過程中伴隨的電現(xiàn)象,存在于細胞膜兩側(cè)的電位差稱膜電位。(membrane potential) 通常是指以膜相隔的兩溶液之間產(chǎn)生的電位差。生物細胞被以半透性細胞膜,而膜兩邊呈現(xiàn)的生物電位就是這種電位,平常把細胞內(nèi)外的電位差叫膜電位。如果把兩種電解質(zhì)用膜隔開,使一側(cè)含有不能透過該膜的粒子,由于這種影響,兩側(cè)

34、電解質(zhì)的分布便發(fā)生了變化,一旦董南(donnan)膜平衡建立膜兩側(cè)就會有董南膜電位。如果兩側(cè)沒有這種不透性離子,但只要把濃度不同的兩種電解質(zhì)以膜隔開,在陽離子和陰離子透過膜的速度不同時,膜兩側(cè)也會產(chǎn)生電位差。在膜兩側(cè)放0.1和0.01n的kcl溶液時產(chǎn)生的膜電位,作為表現(xiàn)膜特性的電位,則稱為標準電位差,其值最大可達58mv。膜電位的存在和各種影響引起的這些變化是靜止電位和動作電位的成因。 閾電位:當細胞受到一次閾刺激或閾上刺激時,受激細胞膜上na 通道少量開放,出現(xiàn)na 少量內(nèi)流,使膜的靜息電位值減小而發(fā)生去極化。當去極化進行到某一臨界值時,由于na 通道的電壓依從性,引起na 通道大量激活、

35、開放,導致na 迅速大量內(nèi)流而爆發(fā)動作電位。這個足以使膜上na 通道突然大量開放的臨界膜電位值,稱為閾電位。閾電位比靜息電位約小10mv20mv。如神經(jīng)纖維的靜息電位是-70mv,其閾電位約為-55mv。任何刺激只要能使膜從靜息電位去極化到閾電位,便能觸發(fā)動作電位,引起興奮。有人將閾電位稱為燃點,這是非常形象化的術(shù)語。從電生理的角度來看,興奮是指動作電位的產(chǎn)生過程或動作電位的同義語,而興奮性則是細胞受刺激時產(chǎn)生動作電位的能力。興奮性的基礎(chǔ)是靜息電位,所以靜息電位值或靜息電位與閾電位的距離大小,可影響細胞的興奮性。如兩者距離增大,細胞的興奮性下降。 1) 電壓固定的模電流研究2) .電壓鉗技術(shù)的

36、目的作用用來考察動作電位期間各種離子的離子電流時間過程,從而深入進行分析。2)曲線意義na+離子內(nèi)流-橫坐標下方曲線k+離子外流-橫坐標上方曲線細胞膜電學模型13. h-h方程第6章 興奮的引起與傳播1. 閾電位:na+大量內(nèi)流產(chǎn)生動作電位的臨界膜電位數(shù)值。2. 全或無現(xiàn)象:在同一細胞上所產(chǎn)生動作電位的波形和幅度都相同,動作電位的幅度也不隨傳導距離的延長里減小。3. 閾下刺激引起的局部反應(yīng)特點:等級性。指局部電位的幅度與刺激強度正相關(guān),而與膜兩側(cè)離子濃度差無關(guān),因為離子通道僅部分開放無法達到該離子的電平衡電位,因而不是“全或無”式的。 可以總和。局部電位沒有不應(yīng)期,一次閾下刺激引起一個局部反應(yīng)

37、雖然不能引發(fā)動作電位,但多個閾下刺激引起的多個局部反應(yīng)如果在時間上(多個刺激在同一部位連續(xù)給予)或空間上(多個刺激在相鄰部位同時給予)疊加起來(分別稱為時間總和或空間總和),就有可能導致膜去極化到閾電位,從而爆發(fā)動作電位。 電緊張擴布。局部電位不能像動作電位向遠處傳播,只能以電緊張的方式,影響附近膜的電位。電緊張擴布隨擴布距離增加而衰減。4.局部電位:(1)概念:細胞受到閾下刺激時,細胞膜兩側(cè)產(chǎn)生的微弱電變化(較小的膜去極化或超極化反應(yīng))?;蛘哒f是細胞受刺激后去極化未達到閾電位的電位變化。 (2)形成機制:閾下刺激使膜通道部分開放,產(chǎn)生少量去極化或超極化,故局部電位可以是去極化電位,也可以是超

38、極化電位。局部電位在不同細胞上由不同離子流動形成,而且離子是順著濃度差流動,不消耗能量。 5.傳導:興奮在同一細胞上的傳播。 傳遞:在細胞間的傳播稱。6.傳導的一般特性1、生理完整性2、雙向傳導3、非遞減性4、絕緣性5、相對不疲勞性1.生理完整性 神經(jīng)傳導首先要求神經(jīng)纖維在結(jié)構(gòu)上和生理機能上都是完整的。如神經(jīng)纖維被切斷后,則沖動不能通過斷口;再如用機械壓力、冷凍、化學藥品、電流等因素施加于神經(jīng)纖維上,導致局部機能改變,也會使沖動的傳導中斷,此種現(xiàn)象稱為傳導阻滯(block)。2.雙向傳導 在神經(jīng)纖維上的任何一點施予刺激,所產(chǎn)生的沖動都可沿纖維向兩側(cè)方向傳導,傳向軸突末梢方向的、稱為順向沖動(o

39、rthodromic impulse);傳向細胞體或樹突方向者,稱為逆向沖動(antidromic impulse)。但沖動的傳遞則是單向的。 3.非遞減性 在傳導過程中,峰電位的傳導速度和幅度不因距原興奮點漸遠而減小。這是由于神經(jīng)傳導的能量來源出自于興奮神經(jīng)本身所致。 4.絕緣性 一條神經(jīng)干內(nèi)包含許多條神經(jīng)纖維,這些神經(jīng)纖維各自傳導本身的沖動而不波及鄰近的纖維,不互相干擾。此種絕緣性傳導的特點保證了神經(jīng)調(diào)節(jié)的精確性。絕緣性主要是由于髓鞘的作用。 5.相對不疲勞性 與肌肉組織傳導相比,神經(jīng)傳導相對不易疲勞。 興奮在細胞間的傳遞方式有突觸傳遞和非突觸傳遞兩類。突觸傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是突觸。突觸是指兩

40、個細胞之間相互接觸的部位。根據(jù)突觸的形態(tài)結(jié)構(gòu)和興奮傳遞物的不同,可將突觸分為化學性突觸和電突觸二類。多數(shù)神經(jīng)元之間的突觸以及神經(jīng)與前骨骼肌之間的突觸(一般稱為神經(jīng)肌肉接頭)都屬于化學性突觸?;瘜W性突觸的興奮傳遞物是神經(jīng)末梢釋放出來的物質(zhì),稱為神經(jīng)遞質(zhì)。7.終板電位:終板膜的局部去極化電位。p101細胞間的興奮傳遞8.nm接頭處的興奮傳遞1、n-m接頭的結(jié)構(gòu) 接頭前膜:囊泡內(nèi)含 ach,并以囊泡為單位釋放ach(稱量子釋放)。 接頭間隙:約50-60nm。 接頭后膜:又稱終板膜。存在ach受體(n2受體),能與ach發(fā)生特異性結(jié)合?;瘜W門控性鈉通道。無電壓門控性鈉通道。2.n-m接頭處的興奮傳遞

41、過程第8章 肌電1. 肌原纖維明帶(light band)在偏光顯微鏡下呈單折光,為各向同性(isotropic),故又稱帶,長約0.8 m,著色淺。在明帶中央可見一條暗線,實際是一薄膜,稱z線或z膜(zline或zmembran z是德文zwischem的字頭,“間”的意思,故也稱間線)。暗帶(dark band)在偏光顯微鏡下呈雙折光,為各向異性(anisotropic),故又稱a帶,長約1.5m。暗帶中央有一較明的窄帶,稱h帶(德文hall“明”的意思),h帶的中央仍有一條深色的暗線,實際仍是一薄膜,稱m線或m膜(德文mittle,“中”的意思,故也稱中線)。相鄰兩個z膜之間的一段肌zp

42、原纖維稱為一個肌節(jié)(sarcomere),所以每個肌節(jié)包括有1/2明帶+暗帶+1/2明帶,肌節(jié)的長度約23m。一個肌原纖維可由幾百個肌節(jié)所組成,肌節(jié)是肌纖維結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。肌節(jié)的長度,隨肌纖維的收縮或舒張而改變。 2. 骨骼肌纖維一般呈細長圓柱形,直徑為10100m,長度不等,一般為140mm,長者可達10cm,兩端鈍圓,與肌腱纖維相連接、有的肌纖維末端可分支(表情肌和舌?。?. 骨骼?。河纱罅康募±w維組成,每條肌纖維含有數(shù)百至數(shù)千條并列的肌原纖維。4. 肌絲分子組成:原肌球蛋白 (粗肌絲)、肌動蛋白 、肌鈣蛋白(細肌絲)5. 神經(jīng)肌肉接頭 4.肌纖維的興奮-收縮耦聯(lián) 三個主要步驟:

43、肌膜電興奮的傳導:指肌膜產(chǎn)生ap后,ap由橫管系統(tǒng)迅速傳向肌細胞深處,到達三聯(lián)管和肌節(jié)附近。 三聯(lián)管處的信息傳遞:(尚不很清楚) 肌漿網(wǎng)(縱管系統(tǒng))中ca2+的釋放:指終池膜上的鈣通道開放,終池內(nèi)的ca2+ 順濃度梯度進入肌漿,觸發(fā)肌絲滑行,肌細胞收縮。ca2+是興奮-收縮耦聯(lián)的耦聯(lián)物5. 要引起骨骼肌興奮的刺激應(yīng)滿足以下適當?shù)臈l件:刺激強度:閾強度:能夠使膜的靜息電位去極化達到閾電位的外加刺激的強度。閾刺激:閾強度的刺激,可以作為評定組織興奮性高低的指標。閾刺激小表示組織的興奮性高。比閾強度強的刺激為閾上刺激、比閾強度弱的刺激為閾下刺激,前二者能使膜電位去極化達到閾電位引發(fā)ap,在細胞膜內(nèi)施

44、加負相電流(或膜外施加正相電流)刺激時,會引起超極化,不會引發(fā)ap;相反,會引起去極化,引發(fā)ap; ;后者只能引起低于閾電位的去極化(即局部電位)不會引發(fā)ap。刺激的作用時間:無論刺激強度多大,要使可興奮組織興奮,刺激必須有足夠時間。在一定范圍內(nèi),刺激強度越小,需要的刺激時間就越長。 刺激強度變化率:必須有足夠的強度變化率。6. 對一塊肌肉進行肌電圖測定,一般分四個步驟:插入電位,將記錄針極插入肌肉所引起的電位變化;靜息期,觀察肌肉在不收縮時是否有異常自發(fā)電活動; mup,這是在受試者輕微收縮時所測定的;大力收縮時引出募集電位。7. 正常肌電圖可觀看到以下特征:靜息電位、插入電活動、自發(fā)電活動、輕收縮、重收縮、被動牽張。8. 神經(jīng)電圖a.運動神經(jīng)傳導速度測定在運動神經(jīng)路徑的兩個點上,用超強電量進行刺激,在該神經(jīng)所支配的肌肉上記錄誘發(fā)電位。運動神經(jīng)傳導速度=兩點之間的距離/兩點之間潛伏期之差速度(v)兩個刺激點的距離(s)/兩個刺激點從刺激開始到肌肉收縮開始的時間差(t)b.感覺神經(jīng)傳導與運動神經(jīng)傳導測定不同,沒有神

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