«УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ К КУРСУ БИОФИЗИКА Составители: Башарина О.В., Артюхов В.Г. ВОРОНЕЖ 2007 2 Утверждено Научно-методическим советом фармацевтического факультета 30.05. ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ

ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ К КУРСУ «БИОФИЗИКА»

Составители: Башарина О.В.,

Артюхов В.Г.

ВОРОНЕЖ

2007

2

Утверждено Научно-методическим советом фармацевтического факультета 30.05. 2007 г. (протокол № 5).

Учебно-методическое пособие для самостоятельной подготовки студентов к занятиям по биофизике подготовлено на кафедре биофизики и биотехнологии биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 2 курса дневного, вечернего и заочного отделений фармацевтического факультета.

Для специальности: 060108 - Фармация.

Рецензент: доктор биологических наук

, профессор Т.Н.Попова

ВВЕДЕНИЕ

Проблема совершенствования самостоятельной работы студентов имеет исключительно большое значение в подготовке высококвалифицированных, творчески активных специалистов.

Под самостоятельной работой следует понимать все виды активной познавательной и научной деятельности, требующие поисков ответов на вопросы, возникающие в ходе изучения учебного материала или проведения научных исследований.

Самостоятельная работа студентов преследует следующие цели:

1) закрепление знаний, умений и навыков студентов, их расширение и углубление;

2) формирование умения применять полученные знания в конкретных жизненных условиях, практических ситуациях;

3) выработка собственных способов, приемов, методов самостоятельного мышления, творческой активности, умения вести научный поиск.

В ходе приобщения студентов к самостоятельной работе возрастает значение внеаудиторных форм работы при непосредственном руководстве преподавателя. Специфика внеаудиторной работы студентов младших курсов предусматривает обязательную работу с учебной литературой, углубление знаний в процессе выполнения заданий и самостоятельного поиска, творческий отбор материала, задач, их моделирование, овладение научной терминологией и культурой речи. На младших курсах студенты начинают овладевать наиболее простыми формами внеаудиторной самостоятельной работы: выполнение домашних заданий, работа над текстом учебной лекции преподавателя, конспектирование первоисточников.

Самостоятельная работа относится к наиболее эффективным средствам развития познавательной активности студентов и способствует формированию у них самостоятельности в процессе обучения в вузе.

Эффективность самостоятельной деятельности студента зависит от ее организации, логики учебного процесса, взаимосвязи имеющихся и получаемых знаний. Залогом успешного обучения служит установка студентов на достижение определенной цели.

Эффективность самостоятельной работы невозможна без систематического контроля над ее выполнением. В вузе могут применяться как традиционные, так и нетрадиционные формы контроля над самостоятельной работой студентов. К традиционным формам можно отнести проверку домашних заданий, текущий контроль на семинарских занятиях, контрольные работы в аудиториях, зачеты, экзамены, коллоквиумы и др. Нетрадиционные формы контроля - рецензирование рефератов, оппонирование, деловые игры, конференции, экспрессконтрольные, конкурс на лучшую НИР.

Для успешной организации самостоятельной работы студент должен уметь:

- использовать различные формы самостоятельной работы;

- с наименьшими затратами времени усваивать необходимую информацию, систематизировать факты, разбираться в дискуссионных вопросах;

- правильно сочетать самостоятельную работу с другими видами учебного процесса;

- разрабатывать рациональные графики самостоятельной работы;

- использовать методическое обеспечение учебного процесса.

Для повышения качества фундаментального профессионального образования при подготовке специалистов – провизоров представляется важным осуществление систематического контроля как качества знаний, так и степени усвоения пройденного материала в течение семестра.

Концепция модернизации российского образования предусматривает проведение вузами ряда мероприятий, в том числе совершенствование системы текущего контроля работы студентов с использованием балльнорейтинговой системы. Переход на балльно-рейтинговую систему оценки знаний обучающихся направлен на активизацию самостоятельной деятельности студентов, повышение ее эффективности, осуществление непрерывного контроля за усвоением учебного материала. В последние несколько лет в ряде вузов России, включая и Воронежский госуниверситет, вводится такая система контроля знаний студентов; более 15 лет она существует (и хорошо себя зарекомендовала) на фармацевтическом факультете Курского медицинского университета.

Разные вузы и факультеты используют при этом различные модификации рейтинговой системы (с экзаменом или без, с выделением разных типов рейтинга и контроля знаний).

На фармацевтическом факультете в 3 семестре учебный план предусматривает организацию лекций (38 часов) и лабораторных занятий (в таком же объеме) по биофизике. При проведении практикума по биофизике оценка знаний студентов осуществляется при сдаче работ и решении задач на данную тему. Однако лекционный материал значительно шире и охватывает большее количество тем, чем лабораторные работы.

Непременным, обязательным условием понимания большинства тем является наличие знаний по уже пройденному материалу, в связи с чем становится понятной важность и необходимость систематического контроля качества усвоения материала, полученного студентами на лекциях.

Используемая нами балльно-рейтинговая система основывается на проведении этапных аттестаций по дисциплине и предполагает систему накопления баллов в течение всего аттестационного периода. Мы разработали тестовые задания и контрольные вопросы по всем лекционным темам, на которые студенты отвечают письменно в течение семестра (поэтапно). Возможно повторное проведение этапной аттестации их при наличии уважительной причины. Баллы за все выполненные работы суммируются; при накоплении студентом более 80 % от общей суммы баллов; отсутствии работ с оценкой, соответствующей «3» (менее 55 % от баллов, предусмотренных за данную тему), и своевременной сдаче всех лабораторных работ возможно освобождение студента от экзамена.

Таким образом, студенты систематически изучают биофизику в течение семестра (а не непосредственно перед экзаменом), что приводит как к более полному пониманию, так и к лучшему усвоению материала в целом. Кроме того, у студентов повышается мотивация изучения дисциплины, улучшается посещаемость занятий; развивается творческий подход, что, в конечном итоге, формирует современного высококвалифицированного специалиста-провизора.

Ниже приведены разделы биофизики, изучение которых входит в учебный план. Для облегчения подготовки студента к данным темам приводятся вопросы, на которые студент должен ответить в ходе изучения материала, и список литературы, где данный материал излагается. При подготовке необходимо использовать также конспекты лекций.

Тема 1. Биофизика как наука 1.1. Предмет и задачи биофизики. Проблемы современной биофизики. Значение биофизики для медицины и фармации Биофизика является синтетической наукой на стыке физики, химии, математики, биологии, физиологии и других наук. Существует множество определений данной науки. Одно из определений биофизики дано А.Б.Рубиным (1987): «Биофизика - наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических явлений». Биофизика - интегративная наука, изучающая структуру, физические свойства и характеристики биологических объектов, фундаментальные взаимодействия молекул и молекулярных комплексов, элементарные физико-химические и физические процессы, лежащие в основе физиологических реакций и биологических явлений, а также влияние на биологические объекты различных физических факторов (света, ионизирующего излучения, температуры и др.).

Биофизика как самостоятельная наука должна отвечать трем обязательным требованиям: иметь собственные цели и задачи, собственный объект (объекты) исследования и методы исследования.

Основные цели биофизики:

- основываясь на законах и представлениях физики и химии с широким применением математики, изучать фундаментальные элементарные процессы, протекающие в биополимерах и надмолекулярных комплексах, лежащие в основе жизнедеятельности клеток и организмов;

- исследовать действие ряда физических и химических факторов на биообъекты.

В задачи биофизики входит:

- изучение на молекулярном уровне структуры субклеточных образований и механизмов их функционирования;

- выявление общих законов (закономерностей) обмена веществ и энергии на уровне клетки и организма;

- исследование молекулярных механизмов транспорта ионов, молекул через многочисленные и разнообразные мембраны поверхности разделов и фаз;

- изучение молекулярных механизмов дыхания, подвижности;

- исследование поглощения, размена энергии на химические превращения, влияние их на жизнедеятельность при действии энергии электромагнитных полей (видимого и ультрафиолетового излучения), проникающей радиации;

- термодинамический анализ сложных систем с использованием законов классической термодинамики, а также термодинамики неравновесных процессов;

- кинетический аналитический подход к изучению сложных систем и предсказание их поведения.

Объектами исследования в биофизике чаще всего служат биополимеры и другие биологически важные молекулы, субклеточные комплексы, ткани, органы. Однако ученые проводят исследования и на организменном, популяционном, биоценотическом, уровнях. Этими проблемами занимается экологическая биофизика.

Биофизику считают относительно молодой наукой, окончательно сформировавшейся в середине XX столетия. Но это справедливо только отчасти, так как становление биофизики проходило длительное время.

Условно можно выделить три этапа ее развития: I этап - с начала XVII до середины XVIII в.; II этап - с середины XVIII до середины XX в.; III этап с середины XX в. до наших дней.

I этап - накопление отдельных фактов. Делались первые попытки количественных измерений характеристик и параметров биологических объектов и систем. Для объяснения установленных фактов и наблюдаемых явлений использовались законы физики, но довольно часто делались ссылки на «жизненную силу», своеобразие и специфичность изучаемых объектов и систем. Первые идеи биофизики заключались в обосновании материального единства живых организмов и неорганической природы, универсальности механического движения в живой и неживой природе, первых попытках применить физические законы для объяснения ряда физиологических функций (например, кровообращения). Был создан ряд физических приборов (лупа, микроскоп и др.), позволивших установить клеточное строение живых организмов и изучать мир простейших.

II этап - широкое проведение экспериментов и определение многих физико-химических параметров живых организмов. Для объяснения сложных биологических явлений привлекались законы физики и химии.

III этап - формирование собственного понятийного аппарата, разработка сложных биофизических методов исследования, выделение ряда разделов в самостоятельные научные дисциплины (фотобиология, радиобиология, мембранология и др.). Для объяснения биологических процессов и явлений привлекают не только законы физики, химии, но и математики и биологии. Середина XX в. характеризуется появлением системы знаний о физико-химических фундаментальных процессах, лежащих в основе жизнедеятельности живых организмов. Изучение таких процессов и явлений, как фотосинтез, внутриклеточное дыхание, мышечное сокращение, ионные механизмы биоэлектрогенеза, механизмы мембранной проницаемости и др., потребовало разработки новых биофизических подходов и методов. Анализ полученных результатов привел к созданию системы знаний, которая отличалась от ранее существовавшей в биологии, и в частности в физиологии, переходом на субклеточный, мембранный, молекулярный уровни организации и функционирования биологических объектов. Стало очевидно, что биофизика - это не только физика живого, законов физики недостаточно для понимания процессов жизнедеятельности, необходимо привлекать биологические законы и закономерности деятельности. Стала складываться методология биофизики.

На ранних этапах становления биофизики для изучения фундаментальных процессов использовали не только идеи физики, но и физические методы, которые приспосабливали, модернизировали для изучения биологических процессов и явлений. Так, для исследования биологических явлений и процессов применяли методы определения вязкости биологических жидкостей, поверхностного натяжения клеток, измерения электрических потенциалов в растительных и животных организмах. В настоящее время для понимания физико-химических механизмов жизнедеятельности необходимо получать информацию о реальных молекулярных свойствах биологических объектов непосредственно в прямых экспериментах. В этой связи в биофизике стали использовать такие методы, которые позволяют связывать первичные молекулярные механизмы с особенностями конкретных биологических процессов и давать прямую информацию о биохимико-биофизических механизмах жизнедеятельности на субмолекулярном уровне в интактных биологических объектах. Особое значение имеет изучение динамических характеристик биологических объектов на молекулярном уровне. Так, оптическими методами могут быть изучены фотобиологические и фотофизические процессы, происходящие под действием светового излучения в широком спектральном диапазоне.

Внедрение в исследовательскую практику ряда сложных высоко информативных методов (электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, спектрофотометрические методы, метод радиоактивных изотопов, микроэлектродной техники, метод регистрации сверхслабого свечения биологических объектов, флуоресцентные методы, метод математического моделирования и др.), позволило биофизике занять лидирующее положение среди экспериментальных биологических наук.

В биофизике можно выделить следующие разделы: молекулярную биофизику, биофизику мембран (мембранологию), квантовую биофизику, термодинамику биологических процессов, кинетику биологических процессов, фотобиологию, радиационную биофизику, биофизику сократительных процессов, прикладную биофизику.

Молекулярная биофизика изучает пространственную структуру биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, их комплексов, надмолекулярных образований) и физические процессы, лежащие в основе их функционирования. Макромолекулы рассматривают как своеобразные машины, преобразующие энергию из одного вида в другой в пределах одной молекулы, в чем можно убедиться при анализе механизмов фотосинтеза, ферментативного катализа, фотопревращений ряда пигментов.

Биофизика мембран является частью мембранологии, которая изучает структуру и функции биологических мембран. Жизнь без мембран невозможна. Разнообразие функций мембран (разграничительная, транспортная, формирования градиентов, трансформации энергии, рецепторная и др.) делает биомембраны объектом пристального внимания не только биофизиков, но и биохимиков, физиологов, иммунологов и других специалистов. Однако межмолекулярные отношения и мембранные механизмы, лежащие в основе функций живых организмов, являются предметом изучения для биофизиков.

энергетических уровней атомов, ионов, молекул, их донорно-акцепторные свойства, электронные переходы при поглощении квантов света и пути дезактивации поглощенной энергии, химические превращения электронновозбужденных молекул, образование фотопродуктов и молекулярные взаимодействия, лежащие в основе фотобиологических процессов и явлений.

Фотобиология исследует влияние видимого и ультрафиолетового излучений на биообъекты, начиная от биополимеров и заканчивая растительными и животными организмами. В данном разделе изучаются механизмы поглощения квантов света атомами и молекулами, миграция энергии, фотохимические реакции, лежащие в основе фотобиологических процессов.

Радиационная биофизика исследует процессы взаимодействия ионизирующего излучения с биовеществом, размен энергии ионизирующего излучения на радиационно-химические реакции, развитие и исходы лучевого поражения как на уровне молекул и субклеточных образований, так и на уровне организма.

Биофизика сложных систем включает в себя термодинамику и кинетику биологических процессов.

Термодинамика биологических процессов анализирует функционирование биологических систем с позиций первого и второго начал термодинамики и следствий из них, используя фундаментальные физические представления.

Кинетика биологических процессов рассматривает скорости и механизмы протекания биохимических реакций (последовательных, параллельных, циклических), их взаимосвязь, совокупность биохимических реакций, лежащих в основе физиологических процессов и биологических явлений.

Прикладная биофизика в самостоятельный раздел отнесена весьма условно, так как в каждом разобранном ранее разделе можно выделить прикладные вопросы. Не приходится доказывать, что такие разделы биофизики, как фотобиология, радиационная биофизика, электробиология, мембранология и др., имеют прямой выход в практику, способствуют глубокому пониманию процессов, протекающих в живом организме.

Изучение сложных процессов, происходящих в популяциях, биогеоценозах, биосфере, с использованием биофизических методов и подходов делает знакомство с содержанием биофизики необходимым не только для биологов разного профиля, но и медиков, и провизоров.

В настоящее время биофизика решает ряд проблем: выявление молекулярной организации биополимеров и ее связи со свойствами и выполняемыми функциями; выявление структуры и функционирования молекулярных и мембранных машин (в том числе лекарственных препаратов); изучение молекулярных датчиков, рецепторов, путей и механизмов утилизации в биологических молекулах энергии фосфорных соединений; исследование фотобиологических, радиобиологических первичных механизмов при поглощении внешней энергии биологическими системами (а также лекарственных препаратов, проявляющих свойства фотосенсибилизаторов и фотопротекторов, радиопротекторов); разработка новых методов исследования биологических систем на молекулярном, мембранном, клеточном уровнях организации и др. Поступательное развитие биофизики продолжается.

Вопросы и задания для самоподготовки 1. Что изучает биофизика?

2. Назовите основные разделы биофизики.

3. История развития биофизики. Какие этапы становления биофизики можно выделить?

4. Почему биофизика является инегративной комплексной наукой?

5. Проблемы современной биофизики.

6. Значение биофизики для медицины и фармации.

Рекомендуемая литература 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика : учеб. для вузов / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М., 2003. – С. 14-17.

2. Биофизика : учеб. для вузов / В.Ф. Антонов [и др.]. – М., 1999. – С.

5-7.

3. Артюхов В.Г. Биофизика : учеб. пособие / В.Г. Артюхов, Т.А.

Ковалева, В.П. Шмелев. - Воронеж, 1994. – С. 9-29.

4. Волькенштейн М.В. Биофизика : учеб. пособие / М.В.

Волькенштейн. - М., 1988. – С. 9-22.

5. Конспект лекций.

Тема 2. Молекулярная биофизика 2.1. Биофизика белка и нуклеиновых кислот Основными объектами молекулярной биофизики являются белки и нуклеиновые кислоты.

Основная задача молекулярной биофизики - выяснение связи физической структуры и свойств биологически важных молекул с выполняемой ими в организме функцией.

Под структурой молекулы понимают расположение в пространстве всех ее атомов. В молекулярной биофизике характеристика молекулы включает в себя структурную химическую формулу, длины всех связей и углы между связями, распределение зарядов на поверхности, подвижность отдельных участков и изменчивость структуры в зависимости от параметров среды: температуры, ионной силы, рН, наличия определенных ионов и др.

Белки и нуклеиновые кислоты представляют собой информационные макромолекулы, кодирование информации в которых осуществляется соответственно аминокислотным или нуклеотидным алфавитом.

Макромолекулы полисахаридов состоят из одинаковых звеньев и поэтому не несут информации.

Молекулы белков и нуклеиновых кислот характеризуются строго определенной последовательностью мономеров, связанных ковалентными связями. Белки и нуклеиновые кислоты — неразветвленные линейные сополимеры. Структура их ковалентной цепочки может быть записана в виде А1-А2-А3-А4-...-Аn, где А означает звено (мономер) в цепи.

Мономерами белка являются -аминокислоты (вещества, содержащие аминогруппу и карбоксильную группу), мономерами нуклеиновых кислот – нуклеотиды (вещество, состоящее из остатков азотистого основания, углевода пентозы и фосфорной кислоты). Особенностью белков и нуклеиновых кислот, отличающей их от многих синтетических полимеров, является то, что их мономерные единицы всегда соединены по принципу «голова к хвосту», т.е. цепи имеют определенное направление. Для описания химической структуры необходимо указать последовательность всех остатков. Полная ковалентная химическая структура может содержать несколько полимерных цепей, а последние могут быть соединены между собой поперечными ковалентными мостиками; подобные же мостики иногда соединяют части одной и той же цепи. Полная ковалентная структура (порядок объединения мономеров в полимерную цепь) называется первичной структурой. Аминокислоты в белке соединяются с помощью пептидных связей, нуклеотиды в нуклеиновых кислотах – за счет сахаро-фосфатных (фосфодиэфирных) связей. Эти связи по своей природе являются ковалентными полярными.

Важная особенность структуры белков и нуклеиновых кислот заключается в стабилизации положения химических групп в пространстве с минимальной внутренней энергией. Это достигается, в частности, за счет образования водородных связей. Регулярное расположение в пространстве химических групп (пептидных в белках, пуриновых и пиримидиновых оснований в нуклеиновых кислотах) создает вторичную структуру биополимеров. Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, стабилизированную водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями образующих спираль цепей.

Как известно из химии, вращение в молекулах вокруг одинарных связей приводит к появлению поворотных изомеров, то есть молекул с различной конформацией. В белках вращение вокруг пептидной связи С— N затруднено (энергия активации вращения 40-80 кДж/моль), так как связь частично имеет характер двойной связи. Поэтому белок можно рассматривать как цепь из связанных друг с другом плоских пептидных звеньев. Вращение этих звеньев возможно вокруг одинарных связей углерода аминокислот. Л. Полинг и Р. Кори установили два основных варианта вторичной структуры белковой цепи:

-спираль и -форму. Спирали могут быть лево- и правозакрученными. -Формы бывают параллельными и антипараллельными. Кроме того, в белках встречаются участки, не образующие регулярной структуры, так называемые неупорядоченные структуры. Например, в гемоглобине 75 % аминокислот образуют правозакрученные -спирали, а остальные участки полипептидных цепей являются неупорядоченными; они располагаются преимущественно в местах пространственных изгибов спирализованной цепи.

Возможность изгибов в цепи и наличие в молекулах белков различных типов взаимодействий (ионных, гидрофобных, образование дисульфидных и водородных связей) между группами, далеко отстоящими друг от друга в полипептидной цепи, приводят к компактной укладке этой цепи. Расположение в пространстве элементов вторичной структуры и неупорядоченных звеньев полипептидной цепи называется третичной структурой белка. Различие между вторичной и третичной структурами в определенной степени условно, так как в действительности мы имеем дело с единственной пространственной структурой.

Высшим уровнем структурной организации биоплимеров является четвертичная структура. Она образуется путем ассоциации (за счет нековалентных взаимодействий) независимых субъединиц третичной структуры. Субъединицы четвертичной структуры могут быть как одинаковыми, так и различными, а их расположение в четвертичной структуре - как симметричным, так и несимметричным. Пример простой четвертичной структуры мы видим в случае гемоглобинов позвоночных.

Молекула этих белков состоит из четырех субъединиц; она содержит по две субъединицы двух типов — и. Каждая субъединица представляет собой одну полипептидную цепь, сложенную в компактную третичную глобулярную структуру. С каждой цепью глобина связана одна группа гема. Интактный тетрамер гемоглобина 22 с молекулярной массой Да легко диссоциирует на димеры :

Число субъединиц в нативной молекуле белка постоянно. Этим четвертичная структура отличается от агрегатов молекул белка, образующихся в ряде случаев, например при денатурации.

Изменение свойств окружающей среды: температуры, ионного состава, рН, концентрации малых молекул - может изменить баланс сил, определяющих данную конформацию белка, и вызвать переход белка в новую конформацию, стабильную в новых условиях. Такие перестройки в молекуле белка называют конформационными переходами. Знание физической природы сил, определяющих стабильную конформацию, позволяет понять действие тех или иных факторов среды (температуры, ионов, лекарственных веществ) на структуру макромолекул, понять как и почему может нарушиться структура и функционирование биомолекул при развитии патологии, и, следовательно, какие лекарственные препараты нужно использовать для нормализации физиологических процессов.

Вопросы и задания для самоподготовки 1. Что является мономером белка?

2. Нарисуйте структурные формулы аминокислоты и дипептида.

3. Охарактеризуйте пептидную связь 4. Первичная, вторичная и третичная структура белка.

5. Что собой представляет домен? Чем доменная структура отличается от четвертичной?

6. Четвертичная структура белка. Олигомерные (субъединичные) белки.

7. Понятие о фолдинге белков 8. Что является мономером нуклеиновой кислоты? Что такое нуклеотид?

9. Особенности пространственной организации нуклеиновых кислот.

Модель Уотсона-Крика.

10. Какие связи поддерживают структуру белков и нуклеиновых кислот?

Рекомендуемая литература 1. Биофизика : учеб. для вузов / Ю.А. Владимиров [и др.]. – М., 1983.

– С. 63 - 69.

2. Волькенштейн М.В. Биофизика : учеб. пособие / М.В.

Волькенштейн. – М., 1988. – С. 32-40; 87-94; 108-118; 222-231.

3. Мушкамбаров Н.Н. Молекулярная биология : учеб. пособие / Н.Н.

Мушкамбаров, С.Л. Кузнецов. – М., 2003. – С. 6-8; 117-125; 169-185.

4. Конспект лекций.

Конформационная подвижность белков В табл. 2.2.1 дан перечень типов связей и энергии взаимодействий в биологически важных молекулах.

(ван-дер-ваальсовы осциллирующих диполей взаимодействия) 6. Гидрофобные а) формирование неполярных 4 – 8, взаимодействия областей в белке Следует иметь в виду, что средняя тепловая энергия молекул при комнатной температуре составляет примерно 2,5 кДж/моль, что меньше приведенных в таблице величинэнергий связи.

Ионные связи в макромолекулах обусловлены присутствием ионогенных групп: карбоксильных и аминогрупп в белках, фосфатных групп в нуклеиновых кислотах. За счет ионных связей образуются комплексы различных ионов с макромолекулами. Например, нуклеиновые кислоты связывают ионы Мg2+ и Са2+, многие белки связывают ионы Са2+.

Для многих явлений в организме в норме (секреция, мышечное сокращение, свертывание крови) и патологии, для проявления терапевтического действия лекарств важно образование комплексов ионов с макромолекулами. Образование этих комплексов происходит за счет ион-ионных и ион-дипольных взаимодействий (см. табл. 2.2.1).

Следует сказать еще об одном типе взаимодействий между молекулами - наименее специфическом. Между любыми молекулами существует притяжение, обусловленное движением электронов по орбитам, которое приводит к появлению осциллирующих диполей. Между такими осциллирующими диполями соседних молекул возникает резонанс и притяжение по принципу диполь-дипольного взаимодействия. Эти взаимодействия называют дисперсионными. Они играют значительную роль во взаимодействии неполярных групп молекул.

Важную роль в формировании структуры молекулы играют водородные связи. Они обусловлены способностью самого малого атомного ядра протона проникать в электронные оболочки соединяемых им электроотрицательных атомов и как бы стягивать их.

Аминокислотные остатки, входящие в состав полипептидной цепи, могут быть условно разделены на две группы: неполярные (гидрофобные) и полярные (гидрофильные). Гибкая макромолекула белка в воде сворачивается в глобулу (рис. 2.2.1.), так как полярные остатки аминокислот стремятся к максимальному контакту с водным окружением, а неполярные, наоборот, к минимальному. Ассоциация неполярных молекул в воде за счет гидрофобных взаимодействий определяется выталкивающим действием воды на неполярные соединения, что обусловлено тенденцией молекул воды к достижению состояния максимальной неупорядоченности (максимальной энтропии). Из геометрии известно, что минимальной поверхностью при данном объеме обладает шар. Именно в результате стремления неполярных остатков к контакту между собой, а заряженных групп — сосредоточиться на поверхности молекулы, происходит образование компактной глобулы с гидрофобным ядром и гидрофильной поверхностью.

пространственную структуру белков: I - ионная; II — водородная; III — дисульфидная; IV —область гидрофобных взаимодействий между неполярными группами.

Вопросы и задания для самоподготовки 1. Охарактеризуйте ковалентные связи в белках и нуклеиновых кислотах.

2. Какие слабые взаимодействия (связи) стабилизируют структуру биополимеров?

3. Что представляют собой: а) ионные, б) водородные, в) вандерваальсовы связи? Какова длина и энергия этих связей?

4. Как формируются гидрофобные взаимодействия?

5. Какова роль гидрофобных взаимодействий в формировании биоструктур?

6. Что собой представляет кластерная структура воды?

7. Динамическая подвижность глобулярных белков.

8. В чем состоит сущность термодинамической и кинетической гипотез сворачивания белка?

9. Как использовать знания о нарушении структуры гемоглобина при серповидно-клеточной анемии для разработки лекарственных препаратов от данного заболевания?

Рекомендуемая литература 1. Биофизика : учеб. для вузов / Ю.А. Владимиров [и др.]. – М., 1983.

– С. 69-78; 85-88.

2. Волькенштейн М.В. Биофизика : учеб. пособие / М.В.

Волькенштейн. – М., 1988. – С. 94-108.

3. Попов Е.М. Проблема белка : в 3 т. / Е.М. Попов. – М. : Наука, 1997. Т.3 : Структурная организация белка. – 604 с.

4.Финкельштейн А.В. Физика белка : курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами / А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын. – М. : КДУ, 2005. – 456 с.

5. Конспект лекций.

Тема 3. Биофизика мембран 3.1. Структура и функции биологических мембран. Динамика биомембран. Модельные липидные мембраны Многие жизненные процессы протекают на биологических мембранах. Нарушение мембранных процессов - причина многих патологий. Лечение также во многих случаях связано с воздействием лекарственных веществ на функционирование биологических мембран.

Важнейшее условие существования клетки, и, следовательно, жизни – нормальное функционирование биологических мембран.

Основные функции биологических мембран:

– барьерная — обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой (селективный – значит, избирательный: одни вещества переносятся через биологическую мембрану, другие – нет; регулируемый – проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от функционального состояния клетки);

– матричная – обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие для функционирования;

– механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур.

– энергетическая – синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов;

– генерация и проведение биопотенциалов;

– рецепторная (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция – мембранные процессы) и многие другие функции.

Общая площадь всех биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров.

Структура биологических мембран Совокупность результатов, полученных физическими и химическими методами исследования, дала возможность предложить жидкостномозаичную динамическую модель строения биологических мембран (Сингер и Николсон, 1972 г.). согласно этой модели структурную основу биологической мембраны образует двойной слой липидов (в основном фосфолипидов), белки в этом слое расположены мозаично (рис. 3.1.1).

Различают поверхностные (или периферические), полупогруженные и интегральные белки. На наружной поверхности мембраны животной клетки находится гликокалекс – совокупность углеводных цепочек, входящих в сосав гликопротеидов или гликолипидов; с внутренней стороны расположены белки цитоскелета.

Липиды находятся при физиологических условиях в жидком агрегатном состоянии. Это позволяет сравнить мембрану с фосфолипидным морем, по которому плавают белковые "айсберги".

Полярные головы молекул фосфолипидов - гидрофильны, а их неполярные хвосты - гидрофобны. В смеси фосфолипидов с водой термодинамически выгодно, чтобы полярные головы были погружены в состоящую из полярных молекул воду, а их неполярные хвосты были бы расположены подальше от воды. Такое расположение амфифильных (имеющих и гидрофильную, и гидрофобную части) молекул соответствует наименьшему значению энергии по сравнению с другими возможными расположениями молекул.

Рис. 3.1.1. Жидкостно-мозаичная модель плазматической мембраны (объяснения в тексте) Кроме фосфолипидов и белков, в биологических мембранах содержатся и другие химические соединения. В мембранах животных клеток много холестерина. Есть в мембранах и другие вещества, например гликолипиды, гликопротеиды.

Мембрана – динамическое образование, так как и белки, и липиды способны перемещаться в составе мембраны. Различают латеральную диффузию (перемещение в одном слое) и трансбислойный (флип-флоп) переход (перескок молекулы из одного слоя мембраны в другой).

Функционирование мембраны сильно зависит от микровязкости липидного бислоя и подвижности фосфолипидных молекул в мембране, фазового состояния мембранных липидов. Отклонения биофизических характеристик липидного бислоя от нормы связано с разного рода патологиями. Так, например, при воспалении в результате пероксидного окисления ненасыщенных жирных кислот в составе фосфолипидов вязкость мембраны увеличивается, а это приводит к нарушению функционирования клетки в целом.

В основе многих патологических состояний организма человека лежат изменения структурно-функциональных свойств молекулярных компонентов биомембран, которые происходят при воздействии внешних факторов среды (фармакологические агенты, яды, токсины, аллергены, ионизирующее и УФ-излучение и др.) или при внутренних функциональных расстройствах. К заболеваниям подобного рода следует отнести гипертонию, атеросклероз, ишемию, бронхолегочные заболевания, различные воспаления, злокачественный рост клеток. В связи с этим всесторонние исследования механизмов функционирования биомембран в норме и при патологии необходимы как для разработки методов лечения и профилактики вышеназванных заболеваний, так и для создания высокоэффективных лекарственных препаратов.

Ведущую роль в развитии многих патологий играет свободнорадикальное пероксидное окисление липидов (ПОЛ) мембран. Наиболее вероятным субстратом ПОЛ в организме являются ненасыщенные липиды.

Процесс ПОЛ протекает по свободнорадикальному цепному механизму.

Первичные свободные радикалы появляются в ходе реакции инициирования цепи - начального этапа ПОЛ. Инициирующими факторами ПОЛ в мембранах выступают ионизирующее и УФ-излучение, различные активные формы кислорода (АФК) и др. Сущность цепного процесса окисления состоит в чередовании двух реакций — образования пероксидного радикала липида RОO, а также гидропероксида RООН и нового радикала липида R :

R RОO R RОO R RОO

ROOH ROOH

Таким образом, в процесс вовлекаются все новые молекулы липида (RН) и кислорода, при этом накапливаются гидропероксиды, а число радикалов R и RОO не изменяется в соответствии с принципом неуничтожимоcти свободной валентности.

Модельные липидные мембраны Липосомы, или фосфолипидные везикулы (пузырьки), получают обычно при набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании раствора липидов в воду. При этом происходит самосборка бимолекулярной липидной мембраны. Минимуму энергии Гиббса отвечает замкнутая сферическая одноламеллярная форма мембраны. При этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и ни один из них не соприкасается с полярными молекулами воды (рис. 3.1.2.).

Рис. 3.1.2. Схема строения однослойной липосомы.

Однако чаще получаются несферические многоламеллярные липосомы, состоящие из нескольких бимолекулярных слоев, многослойные липосомы. Отдельные бимолекулярные слои многослойной липосомы отделены водной средой. Диаметр многослойных липосом колеблется в пределах от 60 до 400 нм и более.

Однослойные липосомы можно получить различными методами, например из суспензии многослойных липосом, если обработать их ультразвуком. Диаметр однослойных липосом, полученных этим методом, составляет 25 - 30 нм. Липосомы служат моделью для исследований различных свойств клеточных мембран.

Липосомы нашли непосредственное применение в изготовлении лекарств. Например, можно заключить внутрь липосом лекарственный препарат и использовать как фосфолипидную микрокапсулу для доставки лекарства в определенные органы и ткани. Липосомы не токсичны (при правильном подборе липидов), полностью усваиваются организмом, способны преодолевать некоторые биологические барьеры. Так, инсулин, заключенный в липосому, защищен от действия пищеварительных ферментов. В настоящее время выясняется возможность вводить этот препарат в липосомах перорально, что может избавить больных диабетом от необходимости систематических уколов.

Проводятся работы по разработке методов липосомальной терапии опухолей, ферментативной недостаточности, атеросклероза. Изучается возможность прицельной доставки лекарственного препарата, заключенного в липосомах, к больному органу или даже к больному участку (в частности, к пораженному участку сердца). Для этого к липосоме присоединяется белковая молекула антитело к Несмотря на заманчивые перспективы липосомальной терапии, еще имеется достаточно много нерешенных вопросов.

Вопросы и задания для самоподготовки жидкокристаллическая модель биомембраны? Нарисуйте схему строения мембраны 2. Мембранные белки, их структура, свойства и функции.

3. Мембранные липиды. Понятие о пероксидном окислении липидов.

4. Какие вы знаете типы жидкокристаллических структур? Какой тип жидкокристаллической структуры имеет биомембрана?

5. Охарактеризуйте динамику структурных элементов биомембраны:

латеральную диффузию и трансмембранные переходы («флип-флоп»

переходы).

6. От чего зависит микровязкость липидного бислоя?

7. Какие вы знаете примеры модельных липидных мембран?

8. Что собой представляют мицеллы и липосомы (везикулы)?

9. Виды липосом, их строение.

10. Для чего липосомы примененяют в фармации и медицине?

Рекомендуемая литература 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика : учеб. для вузов / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М., 2003. – С. 184Биофизика : учеб. для вузов / В.Ф. Антонов [и др.]. – М., 1999. – С.

8-31.

3. Биофизика : учеб. для вузов / Ю.А. Владимиров [и др.]. – М., 1983.

– С. 95-121.

4. Артюхов В.Г. Биологические мембраны: структурная организация, функции, модификации физико-химическими агентами : учеб. пособие / В.Г. Артюхов, М.А. Наквасина. - Воронеж, 1994. – С. 11-62.

5. Барсуков Л.И. Липосомы / Л.И.Барсуков // Соросовский образовательный журнал. – 1998. - № 10. – С. 2-9.

6. Конспект лекций.

Механизмы пассивного транспорта Живые системы на всех уровнях организации – открытые системы.

Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны - необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны.

Проницаемость мембраны - это способность мембраны пропускать через себя атомы, ионы, молекулы веществ. В зависимости от характера связи транспорта данного иона металла или молекулы конкретного вещества от переноса других ионов или молекул веществ выделяют:

унипорт - транспорт ионов или молекул через мембрану независимо от транспорта других соединений, например молекул газов, воды; симпорт одновременный и однонаправленный перенос ионов или молекул двух различных веществ, например перенос ионов натрия и глюкозы через мембрану клеток эпителия тонкой кишки; антипорт - одновременный транспорт ионов или молекул вещества через мембрану в противоположных направлениях.

Большое значение для описания транспорта веществ имеет понятие электрохимического потенциала. Химическим потенциалом () данного вещества называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на один моль этого вещества. Для разбавленного раствора вещества с концентрацией С:

где 0 - стандартный химический потенциал, численно равный химическому потенциалу данного вещества при его концентрации 1 моль/л в растворе; R – газовая постоянная, Т – температура.

Электрохимический потенциал - величина, численно равная энергии Гиббса G на один моль данного вещества, помещенного в электрическое поле. Для разбавленных растворов:

где F - число Фарадея, z - заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), Е - потенциал электрического поля.

Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на два основных типа: пассивный и активный.

Пассивный перенос веществ через мембрану Пассивный транспорт - это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением. Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и поэтому этот процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии.

Плотность потока вещества jm при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла:

где U - подвижность частиц, С – концентрация вещества. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания.

Плотность потока вещества - это величина, численно равная количеству вещества, перенесенного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса:

Подставив в (5.3) выражение для электрохимического потенциала (5.2), получим для разбавленных растворов при 0 = const уравнение Нернста—Планка:

Итак, могут быть две причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации (dC/dx) и градиент электрического потенциала (dЕ/dx). Знаки минусов перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от мест с большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией; а градиент электрического потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим к местам с меньшим потенциалом.

В случае незаряженных веществ (z = 0) или отсутствия электрического поля (dЕ/dx) уравнение Теорелла переходит в уравнение:

Согласно соотношению Эйнштейна, коэффициент диффузии D=URT. В результате получаем уравнение, описывающее простую диффузию - закон Фика:

На рис. 3.2.1 представлена классификация основных видов пассивного транспорта через мембрану.

осмос через липидный Рис. 3.2.1. Классификация видов пассивного транспорта.

Вопросы и задания для самоподготовки 1. Что такое пассивный и активный транспорт?

2. Что собой представляет унипорт и котранспорт? Приведите примеры 3. Какие вы знаете методы изучения переноса веществ?

4. Напишите уравнения для пассивного транспорта: (уравнения Теорелла, Нернста-Планка, Фика).

5. Охарактеризуйте виды пассивного транспорта (простая и облегченная диффузия, осмос, фильтрация). Приведите примеры.

6. Чем отличается облегченная диффузия от простой?

7. Что собой представляют ионные каналы? Назовите свойства ионных каналов.

8. Что такое ионофоры? Приведите примеры лекарственных препаратов – ионофоров.

Рекомендуемая литература 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика : учеб. для вузов / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М., 2003. – С. 191Биофизика : учеб. для вузов / В.Ф. Антонов [и др.]. – М., 1999. – С.

32-42.

3. Артюхов В.Г. Биофизика : учеб. пособие / В.Г. Артюхов, Т.А.

Ковалева, В.П. Шмелев. - Воронеж, 1994. – С. 198-218.

4. Биофизика : учеб. для вузов / Ю.А. Владимиров [и др.]. – М., 1983.

– С. 121-129.

5. Конспект лекций.

3.3. Активный транспорт. Ионные насосы, молекулярный механизм их работы. Сопряженный транспорт Активный транспорт – это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением. Активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ.

Активный транспорт веществ через биологические мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., поддерживающие жизненные процессы.

Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки.

Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы, работающие за счет энергии гидролиза АТФ, — специальные системы интегральных мембранных белков (транспортные АТФазы). В настоящее время известны три основных типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану: 1) при работе К+-Nа+-АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе одной молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение; 2) при работе Са2+АТФазы за счет энергии гидролиза АТФ переносятся два иона кальция (из клетки); 3) в Н+-АТФазе (Н+- помпе) происходит перенос двух протонов.

Принцип работы АТФаз-насосов основан на конформационных перестройках белковой макромолекулы при взаимодействии с транспортируемым ионом. Кальциевый насос представлен АТФазой полипептидной цепью с молекулярной массой около 100 000 Да.

Выделяют четыре этапа процесса переноса кальция (рис. 3.3.1).

Первый этап работы Са2+ -АТФазы связывание компонентов: иона Са2+ с комплексом перестройках, приводящих к транслокации кальцийсвязывающих центров в исходное положение.

Вопросы и задания для самоподготовки 1. Опишите опыт Уссинга.

2. Какие вы знаете ионные насосы?

3. Опишите механизм работы кальциевой АТФазы.

4. Что такое эндо- и экзоцитоз?

5. Какие виды сопряженного транспорта вы знаете?

6. Что собой представляет вторично активный транспорт веществ?

7. Опишите механизм транспорта глюкозы в клетки эпителия кишечника.

8. Приведите примеры транспорта лекарственных веществ в клетку.

Рекомендуемая литература 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика : учеб. для вузов / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М., 2003. – С. 200Биофизика : учеб. для вузов / В.Ф. Антонов [и др.]. – М., 1999. – С.

42-48.

3. Артюхов В.Г. Биофизика : учеб. пособие / В.Г. Артюхов, Т.А.

Ковалева, В.П. Шмелев. - Воронеж, 1994. – С. 218-223.

4. Биофизика : учеб. для вузов / Ю.А. Владимиров [и др.]. – М., 1983.

– С. 129-138; 141-143.

5. Конспект лекций.

3.4. Биоэлектрические потенциалы. Механизм формирования потенциала покоя Одна из важнейших функций биологической мембраны – генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В медицине на исследовании электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие. Практикуется и лечебное воздействие на ткани и органы внешними электрическими импульсами при электростимуляции.

Нарушение электрических характеристик отдельных клеток, нервных волокон и целых тканей, например, сердечной ткани приводит к ряду серьезных заболеваний.

Использование результатов электрофизиологических исследований в сочетании с физическим и математическим моделированием мембранных транспортных процессов лежит в основе современных теорий электрогенеза в клетках.

Различают следующие основные виды мембранных биопотенциалов:

Потенциал покоя – разность электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны нормально функционирующей клетки в невозбужденном состоянии.

Потенциал действия (возбуждения) – разность потенциалов на мембране, регистрируемая в момент возбуждения между возбужденными и невозбужденными участками мембраны.

поврежденными и неповрежденными участками клетки, ткани, органа.

К немембранным биопотенциалам относятся метаболические потенциалы, которые регистрируются между участками с различной скоростью метаболизма внутри клетки, ткани или органа.

Возникновение мембранных потенциалов связано с неравенством концентрации ионов внутри клетки и в окружающей среде и неодинаковой проницаемостью клеточной мембраны для разных ионов.

Изучение механизма возникновения клеточных биопотенциалов стало возможным благодаря развитию методов клеточной электрофизиологии. В их развитии важную роль сыграли:

– микроэлектродная техника;

– создание усилителей биопотенциалов, обладающих высоким входным сопротивлением и высокой чувствительностью (токи до 10-12 А);

– выбор удачных объектов исследования, начиная от гигантского аксона кальмара и гигантских нейронов пресноводных моллюсков и заканчивая различными модельными мембранами.

Если концентрация какого-либо иона внутри клетки Сin отличается от концентрации этого иона снаружи Сout, и мембрана проницаема для этого иона, возникает поток заряженных частиц через мембрану, вследствие чего нарушается электрическая нейтральность системы, образуется разность потенциалов внутри и снаружи клетки Ем = Еin - Еout, которая будет препятствовать дальнейшему перемещению ионов через мембрану.

Равновесие – это такое состояние системы, при котором каждая частица может переходить из некоторого состояния 1 в некоторое состояние 2 и обратно, но в целом доля состояний 1 и 2 в системе не изменяется. При установлении равновесия выравниваются значения электрохимических потенциалов по разные стороны мембраны (in = out).

Отсюда легко получить формулу Нернста для равновесного мембранного потенциала:

Если в формуле Нернста перейти от натурального логарифма к десятичному, то для положительного одновалентного иона (z = +1):

где Ем – равновесный потенциал, определяемый как разность потенциалов по обе стороны мембраны;

R – универсальная газовая постоянная;

T – абсолютная температура (К);

F – постоянная Фарадея;

Cin и Cout – концентрации потенциалопределяющих ионов по обе стороны мембраны.

В 1902 г. Бернштейн выдвинул гипотезу, согласно которой потенциал покоя обусловлен тем, что цитоплазматическая мембрана проницаема для ионов К+, и на ней создается потенциал, описываемый уравнением Нернста (равновесный потенциал).

Диффузия ионов через мембрану, при которой вещества транспортируются по концентрационному градиенту, создает разность электрических потенциалов. Движение ионов по концентрационному градиенту обусловлено силой, имеющей химическую природу.

Химическая работа (Ах), необходимая для предотвращения переноса ионов калия из клетки, будет равна:

По мере диффузии ионов К+ из клетки ионы хлора проникают в клетку по своему концентрационному градиенту. Противоположные заряды притягиваются, поэтому электрическая сила заставляет ионы калия стремится в клетку за ионами хлора. На преодоление этой электрической силы требуется электрическая работа (Аэ):

Когда в системе устанавливается равновесие и суммарный поток вещества равен нулю, химическая работа будет уравновешена противоположно направленной электрической:

Следовательно, уравнение для равновесного калиевого потенциала имеет вид:

Для более точного вычисления величины мембранного потенциала необходимо учитывать диффузию ионов К+, Na+ и Cl-. В связи с этим для определения мембранного потенциала используют уравнение Гольдмана:

где Рк, РNa, PCl – коэффициенты проницаемости для соответствующих ионов внутри (in) и снаружи (out) клетки.

В состоянии покоя проницаемость мембраны для ионов К + значительно больше, чем для Na+, и больше, чем для С1 :

Для аксона кальмара, например, Рк: РNa:PCl = 1 : 0,04 : 0,45.

Уравнения Нернста и Гольдмана не учитывают активного транспорта ионов через мембрану, наличие в мембране ионных насосов. В цитоплазматической мембране функционируют молекулы Na+,К+АТФазы, перекачивающие калий внутрь клетки, а натрий из клетки (т.е.

против концентрационного градиента). С учетом работы электрогенных ионных насосов для мембранных потенциалов используют уравнение Томаса:

где m – отношение количества ионов натрия к ионам калия, перекачиваемых ионными насосами через мембрану. Чаще всего Na+,К+АТФаза работает в режиме, когда m = 3/2.

Следует помнить, что цитоплазма клетки в состоянии покоя всегда имеет отрицательный потенциал по отношению к межклеточной жидкости.

Вопросы и задания для самоподготовки 1. Что такое электрический потенциал, разность потенциалов, их единицы измерения?

2. Что является причиной переноса ионов К+, Na+ и С1- через биологическую мембрану, какими уравнениями описываются эти процессы?

3. Что такое мембранный потенциал?

4. Что такое равновесная разность потенциалов, как ее можно рассчитать для данного вида ионов?

5. Классификация электрических потенциалов биосистем.

6. Охарактеризуйте электрические потенциалы модельных систем:

концентрационные, диффузионные, мембранные, фазовые.

7. Опишите механизм формирования потенциала покоя.

8. Какова роль ионных каналов и насосов в формировании потенциала покоя?

9. Напишите уравнения Нернста, Гольдмана, Томаса. В чем особенности этих уравнений?

10. Каковы соотношения относительных проницаемостей разных ионов для клетки в покое?

11. Каким способом можно измерить трансмембранный потенциал в эксперименте?

Рекомендуемая литература 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика : учеб. для вузов / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М., 2003. – С. 203Биофизика : учеб. для вузов / В.Ф. Антонов [и др.]. – М., 1999. – С.

67-77.

4. Биофизика : учеб. для вузов / Ю.А. Владимиров [и др.]. – М., 1983.

– С. 150-156.

5. Биофизика : практикум для студентов / В.Г. Артюхов, О.В.

Башарина. – Воронеж, 2003. – С.42-48.

6. Конспект лекций.

3.5. Потенциал действия, его свойства. Биофизика нервного импульса Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Опыты по исследованию потенциала действия проведены (в основном Ходжкиным и его сотрудниками) на гигантских аксонах кальмара методом микроэлектродов с использованием высокоомных измерителей напряжения, а также методом меченых атомов. На рис. 3.5. показаны схема опытов и результаты исследований.

В опытах по исследованию потенциала действия использовали два микроэлектрода, введенных в аксон. На первый микроэлектрод подается импульс с амплитудой V от генератора Г прямоугольных импульсов, меняющий мембранный потенциал. Мембранный потенциал измеряется при помощи второго микроэлектрода высокоомным регистратором напряжения Р.

Рис. 3.5.1. Исследование потенциала действия: а - схема опыта (Г генератор импульсов, Р - регистратор напряжения); б - потенциал действия (V – амплитуда импульса, мп - потенциал покоя, мрев - потенциал реверсии, мд - амплитуда потенциала действия, мпор – пороговый потенциал) Возбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время смещение мембранного потенциала, который быстро пропадает и восстанавливается потенциал покоя. В том случае, когда возбуждающий импульс смещается еще дальше в отрицательную сторону, он сопровождается гиперполяризацией мембраны. Потенциал действия также не формируется, когда возбуждающий импульс положительный (деполяризующий), но его амплитуда меньше порогового значения.

Однако если амплитуда положительного деполяризующего импульса окажется больше поргового значения, м становится больше мпор, и в мембране развивается процесс, в результате которого происходит резкое повышение мембранного потенциала и мембранный потенциал м меняет свой знак — становится положительным (рис. 3.5.1).

Достигнув некоторого положительного значения мрев - потенциала реверсии, мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя мп, совершив нечто вроде затухающего колебания. В нервных волокнах и скелетных мышцах длительность потенциала действия около мс (а в сердечной мышце около 300 мс). После снятия возбуждения еще в течение 1 - 3 мс в мембране наблюдаются некоторые остаточные явления, во время которых мембрана рефрактерна (невозбудима). Новый деполяризующий потенциал может вызвать образование нового потенциала действия только после полного возвращения мембраны в состояние покоя. Причем амплитуда потенциала действия не зависит от амплитуды деполяризующего потенциала.

Характерные свойства потенциала действия:

1) наличие порогового значения деполяризующего потенциала;

2) закон "все или ничего", то есть, если деполяризующий потенциал больше порогового, развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса и нет потенциала действия, если амплитуда деполяризующего потенциала меньше пороговой;

3) есть период рефрактерности, невозбудимости мембраны во время развития потенциала действия и остаточных явлений после снятия возбуждения;

4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны (у аксона кальмара от 0,1 Ом•м2 в покое до 0,0025 Ом•м2 при возбуждении).

При развитии потенциала действия наряду с изменением проницаемости происходит кратковременное увеличение электропроводности мембраны.

В первой фазе ПД - фазе деполяризации - усиленный поток ионов Nа, направленный внутрь клетки, уравновешивает концентрационный градиент, и поступление в клетку натрия прекращается. Внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной. В это время отношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара составляет: РК:РNа:РСl=1:20:0,45, т. е.

проницаемость мембраны для Na+ увеличивается в 500 раз за 0,5 - 1 мс.

Затем возрастает проницаемость мембраны для ионов К+, и усиливается диффузия этих ионов из клетки. В результате происходит уменьшение мембранного потенциала, что, в свою очередь, снижает проницаемость мембраны для Nа+. Это продолжается до тех пор, пока потенциал покоя не восстановится. После этого проницаемость для ионов К+ падает до исходного уровня. Фаза, в течение которой мембранный потенциал возвращается к уровню потенциала покоя, называется фазой реполяризации. Она осуществляется не в результате обратного перемещения ионов Nа+, а вследствие выхода из клетки эквивалентного количества ионов К+. Фаза реполяризации всегда продолжительнее фазы деполяризации. Следовательно, формирование ПД обусловлено двумя ионными потоками через биомембрану, которые приблизительно равны по величине, но сдвинуты во времени.

Возбуждение мембраны описывается уравнением Ходжкина-Хаксли:

где Iм - ток через мембрану, См - емкость мембраны, Ii - сумма ионных токов через мембрану.

Электрический ток через мембрану складывается из ионных токов:

ионов калия - IК, натрия - INa и других ионов, в том числе С1-, так называемого тока утечки Iут, а также емкостного тока. Емкостной ток обусловлен перезарядкой конденсатора, который представляет собой мембрана, перетеканием зарядов с одной ее поверхности на другую.

Возбуждение по миелинизированному волокну распространяется сальтаторно (скачкообразно) от одного перехвата Ранвье (участка, свободного от миелиновой оболочки) до другого. Нервные импульсы проводятся по аксонам в какой-то степени аналогично тому, как передаются электрические сигналы по кабельно-релейной линии.

Электрический импульс передается без затухания за счет его усиления на промежуточных релейных станциях, роль которых в аксонах выполняют участки возбудимой мембраны, в которых генерируются потенциалы действия.

Вопросы и задания для самоподготовки 1. Что такое потенциал действия? Для каких клеток он характерен?

2. Назовите свойства потенциала действия.

3. Какие фазы выделяют в потенциале действия?

4. Как изменяется проницаемость мембраны для ионов в этих фазах?

Работой каких ионных насосов и каналов обусловлено изменение транспорта ионов через мембрану?

5. Нарисуйте график потенциала действия. Какие ионы и в каком направлении двигаются при деполяризации и реполяризации мембраны?

Пассивно или активно двигаются при этом ионы?

6. Опишите схему работы натриевого канала.

7. Как можно разделить токи К+ и Na+? Какие вещества для этого используют?

8. Приведите примеры веществ –блокаторов ионных каналов.

9. Напишите уравнение Ходжкина-Хаксли.

10. Как происходит распространение возбуждения вдоль нервного и мышечного волокна?

11. Что представляет собой константа длины нервного волокна? От чего зависит ее величина? Напишите соответствующее уравнение.

Рекомендуемая литература 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика : учеб. для вузов / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М., 2003. – С. 207Биофизика : учеб. для вузов / В.Ф. Антонов [и др.]. – М., 1999. – С.

77-111.

3. Биофизика : учеб. для вузов / Ю.А. Владимиров [и др.]. – М., 1983.

– С. 156-161; 167-172.

4. Конспект лекций.

Лекция 3.6. Биофизика рецепции. Типы клеточных рецепторов.

Механизм передачи сигнала в клетку Биологические мембраны играют ключевую роль в процессах приема, переработки и передачи информации в клетке, обеспечивающих согласованное протекание множества биохимических реакций целостного организма. Проблемы клеточной сигнализации – это область мембранологии, она начала развиваться во второй половине XX века после создания Е. Сазерлендом (Нобелевский лауреат, 1971) концепции вторичных сигналов (мессенджеров) и открытия циклического аденозинмонофосфата (сАМР).

Внешний сигнальный агент, называемый первичным мессенджером (посредником), как правило, не проникает внутрь клетки, а специфически взаимодействует с клеточными рецепторами. В качестве первичных мессенджеров выступают различные химические соединения (гормоны, нейромедиаторы) или физические факторы (квант света).

Гидрофобные стероидные и тиреоидные гормоны способны диффундировать через липидный бислой внутрь клетки и связываться с растворимыми (внутриклеточными) рецепторными белками.

Гидрофильные вещества (первичные мессенджеры) внутрь клетки не проникают и поэтому имеют мембранные рецепторы. Если внешняя сигнальная молекула воздействует на рецепторы клеточной мембраны, то она активирует их, и они передают полученную информацию на систему белковых компонентов мембраны, называемую каскадом передачи сигнала. Мембранные белки каскада передачи сигнала подразделяют на белки-преобразователи, связанные с рецепторами, и ферменты-усилители, связанные с белками-преобразователями и активирующие вторичные внутриклеточные мессенджеры, переносящие информацию внутрь клетки. В роли вторичных мессенджеров выступают малые молекулы и ионы: сАМР, циклический гуанозин-3,5-монофосфат (сГМР), инозитолтрифосфат (IР3), диацилглицерол, арахидоновая кислота, ионы кальция и др. Вторичные мессенджеры характеризуются следующими свойствами:

– имеют небольшую молекулярную массу;

– с высокой скоростью диффундируют в цитоплазме;

– быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы (например, ионы кальция выкачиваются во внешнюю среду или поступают во внутриклеточные депо с помощью Са2+-АТФаз). Это необходимо для того, чтобы сигнал первичного мессенджера был обратим, иначе произойдет нарушение метаболических реакций в клетке и возникновение патологических состояний организма.

В плазматических мембранах про- и эукариотических клеток локализованы различные специализированные рецепторные системы, в процессе функционирования которых осуществляются следующие стадии:

– связывание первичного мессенджера с рецептором;

– передача информации о связывании внешнего сигнала с рецептором на мембранные белковые компоненты каскада;

– образование вторичного мессенджера;

– формирование клеточного ответа.

Процесс передачи внешнего сигнала с помощью внутримембранных компонентов каскада представляет собой последовательные стадии изменения конформационного состояния и функциональной активности белков, связанных друг с другом непосредственно или опосредованно с участием других структурных элементов мембран.

Большинство мембранных рецепторов представлены олигомерными белками - гликопротеинами. Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований:

а) обладать высокой избирательностью к лиганду;

б) кинетика связывания лиганда должна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено;

в) рецепторы должны обладать тканевой специфичностью;

г) связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда;

д) количество клеточных рецепторов динамично, то есть изменяется в зависимости от состояния клетки (например, при развитии ряда патологий, при действии некоторых лекарственных веществ).

Лиганд-рецепторные взаимодействия реализуются при помощи слабых нековалентных сил: электростатических, ион-дипольных, ван-дерваальсовых и гидрофобных взаимодействий, водородных связей.

Существуют три основных типа мембранных рецепторов: 1) рецепторы, сопряженные с G-белками; 2) рецепторы - ионные каналы; 3) рецепторы, обладающие ферментативной активностью.

Все процессы жизнедеятельности у человека и животных находятся под контролем нервных клеток, которые секретируют в синаптическую щель нейромедиаторы, и эндокринных желез, которые выделяют в кровь гормоны. Гормоны и нейромедиаторы сообщают органам и тканям, что, когда и сколько они должны производить. Среди нейроэндокринных механизмов регуляции существует своя иерархия, тесно связанная со скоростями развития и гашения их сигналов, а также с молекулярными механизмами их действия (рис. 3.6.1).

Отклонение от нормы того или иного процесса жизнедеятельности включает нервную систему регуляции, и нейромедиаторы, изменяя активность ионных каналов (являющихся одновременно рецепторами нейромедиаторов, вызывают гипер- или деполяризацию мембраны. Эта регуляция клеточной активности, происходящая за счет физических процессов (перемещение ионов через мембрану), развивается и гасится за доли секунды (рис. 3.6.1, слева).

Если нервная система не в состоянии вернуть тот или иной фактор гомеостаза к норме, подключаются гормоны (гидрофильные), действующие через мембранные рецепторы и системы вторичных мессенджеров (рис.3.6.2). Эта регуляция, происходящая за счет химических процессов (синтез вторичных мессенджеров, химическая модификация белков-эффекторв) развивается и гасится за минуты (рис 3.6.1, в центре).

Рис. 3.6.1. Три основных механизма нейроэндокринной регуляции клеточного гомеостаза Если отклонения от нормы того или иного процесса достигают опасных для организма величин, или должны произойти фенотипические изменения клеток, подключаются стероидные и тиреоидные гормоны, Мембранные рецепторы, имеющие сродство к G-белкам, семь раз пронизывают липидный бислой мембраны (-R - бета-адренергический рецептор, М2-R - холинергический рецептор мускаринового типа).

Связывание гидрофильного первичного мессенджера (гормона или нейромедиатора) с рецептором приводит к конформационным изменениям последнего, этот сигнал передается на G-белки: GS - G-белок, стимулирующий, а Gi – G-белок, ингибирующий аденилатциклазу. Таким образом, эти белки регулируют образование циклического АМФ (цАМФ) в цитоплазме клетки. Циклический АМФ связывается с протеинкиназой и переводит ее из неактивного в активное состояние. Фосфорилирование ряда белков в клетке изменяет их свойства и тем самым вызывает биологический эффект данных гормонов. Гормональное влияние на клетку устраняется за счет разрушения гормонов извне клетки, что вызывает диссоциацию гормон-рецепторного комплекса. Кроме того, фосфодиэстераза (ФДЭ) гидролизует циклический АМФ до АМФ, а фосфопротеинфосфатаза дефосфорилирует, что приводит к полному гашению гормонального сигнала.

(мРНК). При трансляции мРНК на рибосомах образуется белок, который вызывает биологические эффекты гормона.

Вопросы и задания для самоподготовки 1. Что собой представляет каскад передачи сигнала? Составьте схему передачи сигнала в клетку.

2. Какие вы знаете типы клеточных рецепторов?

3. Охарактеризуйте свойства рецепторов.

4. За счет каких связей происходит образование комплекса лигандрецептор?

5. Закономерности взаимодействия лигандов с рецепторами;

связывание гормонов.

6. Что такое вторичный мессенджер? Какими свойствами он должен обладать? Приведите примеры.

7. Охарактеризуйте роль вторичных мессенджеров (на примере сАМФ и Са2+) в специфическом ответе клетки на воздействие гормонов.

8. Какие группы гормонов (по локализации их рецепторов и механизму передачи сигнала в клетку) вы знаете? Составьте схемы формирования ответа клетки на воздействие этих гормонов.

9. Охарактеризуйте кратко основные механизмы нейроэндокринной регуляции.

Рекомендуемая литература 1. Артюхов В.Г. Биологические мембраны: структурная организация, функции, модификации физико-химическими агентами : учеб. пособие / В.Г. Артюхов, М.А. Наквасина. - Воронеж, 1994. – С. 64-74.

2. Ткачук В.А. Молекулярные механизмы нейро-эндокринной регуляции / В.А. Ткачук // Соросовский образовательный журнал. – 1998. С. 16-20.

3. Филиппов П.П. Как внешние сигналы передаются внутрь клетки / П.П. Филиппов // Соросовский образовательный журнал. – 1998. - № 3. – С. 28-34.

4. Конспект лекций.

Тема 4. Квантовая биофизика. Фотобиология 4.1. Взаимодействие квантов света с молекулами. Электронные переходы при поглощении света в биомолекулах Квантовая биофизика изучает электронную структуру биологически важных молекул (преимущественно макромолекул), электронные переходы в этих молекулах и пути превращения энергии возбужденного состояния молекул в энергию их продуктов.

Квантовая биофизика рассматривает: структуру электронных энергетических уровней биомолекул; их донорно-акцепторные свойства;

электронные переходы при поглощении и испускании света веществом;

свойства свободных радикалов и механизмы свободнорадикальных процессов; механизм хемилюминесценции, обусловленной процессами превращения энергии, выделяющейся в ходе биохимических реакций, в энергию электронно-возбужденных состояний.

Энергетические уровни молекул Каждый электрон в молекуле находится на определенной орбитали (,, n-орбитали) и обладает определенной энергией, поэтому в молекуле существует система электронных энергетических уровней. Электронные уровни в молекулах представлены семейством колебательных подуровней, а каждый колебательный подуровень – семейством вращательных.

Соотношение между энергетическими уровнями молекулы электронный уровень основного состояния молекулы, Э2 – уровень возбужденного состояния.

Все эти виды движения подчиняются законам квантовой механики, совершаются одновременно и при этом сильно различаются по энергиям.

Энергия всех видов движения электронов в молекуле принимает только дискретные значения (квантуется).

Разность энергии между соседними электронными уровнями составляет несколько эВ, между соседними колебательными 10 -1 - 10- эВ, для соседних вращательных подуровней эта величина 10-5 - 10-6 эВ.

На каждом заполненном уровне могут находиться только два электрона, имеющие противоположные собственные магнитные спиновые числа (спины). Это следует из принципа Паули, согласно которому в атоме не может быть двух и более электронов с одинаковыми квантовыми числами.

Биофизика фотобиологических процессов изучает закономерности и механизмы действия оптического излучения на биологические системы различной сложности организации. Под оптическим понимают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения (табл.4.1.1).

Характеристика излучений оптического диапазона Область спектра Длина волны, Энергия, Процесс в поглощающем Инфракрасная Ультрафиолетовая В области длин волн ниже 200 нм УФ-свет сильно поглощается всеми телами, в том числе и тонкими слоями воздуха, поэтому мало исследуется в биологии и медицине. Остальную часть УФ-спектра условно делят на области: УФ-С (коротковолновый свет, 200 – 280 нм), УФ-В (средневолновый, 280 – 315 нм) и УФ-А (длинноволновый, 315 – 400 нм).

Электронные переходы при поглощении света в биомолекулах При поглощении квантов света (фотонов) происходит изменение энергетического состояния молекул-акцепторов (рис. 4.1.2).

Поглощение света представляет собой преобразование энергии кванта света (h) в энергию электронного и колебательного возбуждения молекулы. Этот процесс выражается в том, что один из электронов переходит с синглетного основного (невозбужденного) уровня (So) на один из синглетных возбужденных уровней (Si); одновременно может происходить возбуждение колебательного подуровня.

При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят с одного энергетического уровня на другой.

Основное условие возможности поглощения фотона: его энергия должна быть равна разности энергий возбужденного и основного уровней (Е). Иными словами, должно выполняться уравнение Бора:

Смысл этого уравнения заключается в том, что энергия кванта может поглощаться веществом только целиком.

Рис. 4.1.2. Электронные переходы в молекуле. Е – величина энергии.

Жирные и тонкие горизонтальные линии – соответственно электронные уровни и колебательные подуровни молекулы. Остальные обозначения – в тексте После перехода электрона на верхний синглетный возбужденный уровень (S2 на рис. 4.1.2) происходит его быстрый спуск (за 10-12 - 10-13 с) на уровень S1 с растратой избытка свободной энергии на колебания атомов; этот процесс обозначен на рис. 4.1.2 волнистой линией. При переходах между синглетными уровнями спин электрона не изменяется (ВК – внутренняя конверсия). С уровня S1 электрон может переходить на триплетный уровень Т с превращением части электронной энергии в энергию колебаний; этот процесс называют интерконверсией (ИК интеркомбинационная конверсия); при этом происходит обращение спина электрона, в результате в молекуле в триплетном состоянии появляются два неспаренных электрона.

Время жизни молекулы в синглетном возбужденном состоянии значительно меньше, чем в триплетном. Это связано с тем, что переход из триплетного состояния в основное без обращения спина запрещен (см.

принцип Паули). Электроны находятся на уровне S1 в среднем 10-9 - 10-8 с, а на уровне Т1 – от 10-7 с до десятков секунд в зависимости от типа молекулы и свойств окружающей среды. Молекулы в триплетном состоянии могут успевать поглотить еще один квант света с переходом на следующий триплетный уровень Т2 (см. рис. 4.1.2). Молекула в возбужденном синглетном состоянии тоже может поглотить второй квант света, но это возможно только при очень высокой интенсивности освещения (т.к. мало время жизни в данном состоянии).

В ходе поглощения инфракрасного излучения энергии фотона недостаточно для возбуждения электронного уровня, возбуждается только колебательный подуровень электронного невозбужденного уровня So.

Ниже приводятся типы электронных переходов, обусловливающих поглощение света в видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях, причем учитывается, что молекулярные орбитали и могут быть связывающими и разрыхляющими (антисвязывающими) (рис. 4.1.3).

Рис. 4.1.3. Типы электронных переходов, обусловливающих поглощение света в видимой и УФ-областях Из схемы электронных переходов следует, что наибольшей энергии требует *-переход (следовательно, длина волны поглощаемого света будет наименьшей, т.к. Е = h =hс/). Такие переходы характерны для молекул насыщенных углеводородов (метана и этана) и соответствуют поглощению в области длин волн меньше 200 нм. Переходы * происходят в молекулах ненасыщенных соединений и связаны с поглощением энергии света в видимой или близкой УФ-области ( > нм). Хромофорные группы таких соединений всегда содержат ненасыщенные связи (ароматические соединения). Переходы n*, n* совершают несвязывающие электроны, например, электроны неподеленных пар. Переходы этого типа происходят в молекулах, содержащих такие гетероатомы, как азот, кислород, сера, галогены.

Вопросы и задания для самоподготовки 1. Что изучает квантовая биофизика?

2. В чем состоит связь квантовой биофизики с медициной и фармацией?

3. Что собой представляет система электронных энергетических уровней молекулы?

4. Какие электронные переходы возможны в молекуле?

5. Нарисуйте схему возможных электронных переходов в молекуле:

а) при поглощении кванта света; б) при дезактивации возбужденного состояния.

6. Каковы условия поглощения кванта света веществом?

7. Какие области выделяют в оптическом спектре?

7. Что собой представляет фотобиологический процесс? Из каких стадий он состоит? Приведите примеры.

8. Сформулируйте первый закон фотохимии (закон ГротгусаДрейпера).

Рекомендуемая литература 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика : учеб. для вузов / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М., 2003. – С. 439Артюхов В.Г. Биофизика : учеб. пособие / В.Г. Артюхов, Т.А.

Ковалева, В.П. Шмелев. - Воронеж, 1994. – С. 229-234.

3. Биофизика : учеб. для вузов / Ю.А. Владимиров [и др.]. – М., 1983.

– С. 30-33.

4. Конспект лекций.

4.2. Качественные и количественные показатели поглощения света. Спектральные свойства некоторых биомолекул Поглощение света внешне проявляется в ослаблении светового потока после прохождения через исследуемый объект. С помощью приемника излучения (фотоэлемент, фотоумножитель) можно определить, во сколько раз интенсивность света, падающего на образец (Io), больше интенсивности света, выходящего из образца (I).

Для описания способности целого объекта поглощать свет используют следующие характеристики:

1) оптическая плотность (D) – десятичный логарифм отношения интенсивности света, падающего на образец (Io), к интенсивности света, выходящего из образца (I):

как и любая логарифмическая величина, оптическая плотность не имеет размерности, измеряется в единицах оптической плотности;

светопропускание – отношение интенсивности света, вышедшего из образца, к интенсивности света, падающего на образец:

измеряется в долях или процентах (T = I/Io100 %);

3) доля поглощенного светового потока (), или просто так же, как и Т, светопоглощение измеряется в долях или 4) молярные ( и ) и молекулярный (s) коэффициенты поглощения.

Формулой Бугера – Ламберта – Бера называют следующее выражение:

Параметр s является поперечным сечением поглощения молекулы, другое его название – молекулярный показатель поглощения, размерность – см2/молекула. Физический смысл s – эффективное сечение молекулы, при попадании в которое происходит поглощение кванта света данной длины волны.

Как правило, закон Бугера – Ламберта – Бера используют в иной форме:

где с – молярная концентрация вещества;

– натуральный молярный коэффициент поглощения (экстинкции), его физический смысл – суммарное поперечное сечение поглощения всех молекул одного моля вещества;

– молярный коэффициент поглощения.

Молярный коэффициент экстинкции характеризует способность молекул вещества поглощать свет определенной длины волны и определяется структурными особенностями молекул данного вещества; он соответствует величине оптической плотности раствора с концентрацией моль/л при длине оптического пути 1 см.

Размерность и – л/(мольсм).

Нетрудно рассчитать, что = 0,43 (т.к. е 2,71 10 0,43).

Поперечное сечение поглощения молекулы связано с молярным коэффициентом экстинкции соотношением: s = 3,810-21.

Значения коэффициентов поглощения не зависят от условий измерения (с, I и др.), и характеризуют способность молекул данного вещества поглощать свет той или иной длины волны; для многих веществ они определены и внесены в соответствующие справочные издания.

Важнейшим следствием из закона Бугера-Ламберта-Бера является следующее положение: оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации данного вещества (рис.4.2.1, кривая 1). В самом деле, из формулы (4.2.6) следует, что прологарифмировав данное выражение, получаем lg I/Io = - сl, т.к. по определению D = lgIo/I, следовательно Рис. 4.2.1. Зависимость оптической плотности от концентрации вещества при подчинении закону Бугера-Ламберта-Бера (1); при положительном отклонении (2); при отрицательном отклонении (3) Закон Бугера-Ламберта-Бера выведен для достаточно разбавленных растворов при использовании монохроматического света. Значительные отклонения от закона могут быть обусловлены:

1) свойствами анализируемого образца – способностью молекул вещества при больших концентрациях образовывать агрегаты, что приводит к росту светорассеяния и кажущемуся повышению его оптической плотности (рис. 4.2.1, кривая 2). Поэтому фотометрируемый раствор должен оставаться истинно молекулярным во всем интервале исследуемых концентраций. Если это условие не соблюдается, необходимо перейти в область более низких концентраций или применять защитные коллоиды, препятствующие образованию твердой фазы, или изменить схему всего процесса измерения спектральных свойств образца;

2) конструкцией прибора: при использовании немонохроматического пучка света (например, при работе на фотоэлектроколориметрах) (рис.4.2.1, кривая 3), а также при работе в области, где погрешность прибора максимальна.

В молекулярной спектрометрии взаимодействие светового излучения со сложными многоэлектронными системами, каковыми являются биомолекулы, описывают с помощью молекулярных спектров поглощения.

Спектр поглощения – это зависимость оптической плотности или коэффициента экстинкции (, или s) вещества от длины волны света, падающего на объект. Спектр поглощения представляют в виде графика:

по оси ординат откладывают величины D или, а по оси абсцисс – длину волны света ().

Поглощение света в видимой и УФ-области спектра обусловливает изменения в электронном состоянии молекулы, поэтому спектры поглощения в этих областях спектра получили название электронных.

Спектр поглощения является индивидуальной характеристикой вещества, поэтому структурные особенности его находят отражение в спектрах поглощения. На основании изучения и интерпретации спектров поглощения можно проводить качественный и количественный анализ веществ.

Свет поглощается не всей молекулой равномерно, а отдельными ее группами. Хромофоры – атомы или группы атомов, поглощающих кванты света.

Поглощение атомами энергии фотона характеризуется отдельными линиями в спектре, отражающими только электронные переходы. При поглощении кванта света молекулой электрон переходит с основного уровня (связывающая орбиталь) на колебательные подуровни возбужденного состояния (разрыхляющая орбиталь) (см. рис. 4.1.2); так как возможен переход электрона на различные колебательные подуровни данного уровня, то спектр поглощения молекулы описывается не линией, как в атомах, а полосой («слепком» линий).

Полоса поглощения в электронном спектре характеризуется тремя основными параметрами:

- максимальным значением оптической плотности (Dmax) или молярного коэффициента экстинкции (max) (максимум поглощения);

- длиной волны максимального поглощения (max, нм), соответствующей max;

- эффективной шириной полосы поглощения, нм (или полушириной полосы поглощения), она соответствует расстоянию между двумя точками полосы поглощения, находящимися на высоте Dmax данной полосы.

Спектр пропускания – это график зависимости светопропускания (Т) от длины волны света, падающего на образец.

Изменение структурного состояния биомакромолекул вызывает соответствующие изменения спектральных свойств поглощающих систем.

Эти изменения в электронных спектрах поглощения характеризуются либо увеличением поглощения (гиперхромный эффект), либо его уменьшением (гипсохромный эффект), смещением максимума поглощения в длинноволновую (батохромный сдвиг) или коротковолновую (гипсохромный сдвиг) области спектра. Но во всех случаях избирательное поглощение света в определенной области спектра обусловлено наличием определенных хромофорных групп.

Спектральные свойства некоторых биомолекул Спектры поглощения нуклеиновых кислот обладают максимумом около 260 нм и обусловлены остатками пуриновых и пиримидиновых оснований. Спектр поглощения нуклеиновых кислот не является простой суммой спектров поглощения их отдельных химических групп вследствие взаимодействия оснований, входящих в участки двойных спиралей биополимера.

В видимой части (диапазон длин волн 400 - 750 нм), ближнем и среднем ультрафиолетовых диапазонах (длины волн 200 - 400 нм) электромагнитного спектра интенсивно световое излучение поглощают биомолекулы, имеющие сопряженные двойные ковалентные связи.

Простые белки (однокомпонентные неокрашенные белки, например сывороточный и яичный альбумины, пепсин, трипсин, рибонуклеаза и др.), апобелки сложных белков, нуклеиновые кислоты поглощают свет только в УФ-области. В спектре поглощения белков проявляются полосы поглощения в интервале длин волн от 180 до 290 нм. Наиболее выражены две полосы поглощения – с max~ 190 нм и max~ 280 нм. Первый максимум принадлежит пептидным связям, а второй обусловлен электронными переходами в ароматических аминокислотных остатках триптофана и тирозина (в меньшей степени – фенилаланина). Интенсивность полосы поглощения каждого белка вблизи 275-280 нм зависит от количества в нем хромофорных групп, содержащих -электроны.

Рис. 4.2.2. Спектр поглощения раствора оксигемоглобина (в видимой области) Значение коэффициента экстинкции аминокислоты в составе белка зависит от ее микроокружения и отличается от данной величины для свободной аминокислоты. По изменению положения (мах) или интенсивности максимума полосы поглощения можно судить о структурных перестройках в биомолекуле.

В отличие от однокомпонентных, двухкомпонентные окрашенные белки (гемоглобин, каталаза, супероксиддисмутаза, церулоплазмин, пероксидаза, цитохром с) поглощают и в видимой области спектра (рис.

4.2.2.).

Вопросы и задания для самоподготовки 1. Какие характеристики используют для описания способности целого объекта поглощать свет?

2. Сформулируйте закон Бугера-Ламберта-Бэра. При каких условиях он выполняется?

3. Сформулируйте следствие из закона Бугера-Ламберта-Бэра.

4. Что собой представляет молярный коэффициент экстинкции?

Каков его физический смысл?

5. Дайте определение оптической плотности, светопропускания и светопоглощения. В каких единицах измеряются эти показатели?

6. Что такое спектр поглощения? Что собой представляет максимум в спектре поглощения?

7. Какие типы электронных переходов обусловливают спектр поглощения в видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях электромагнитных колебаний? Нарисуйте их схему (с учетом связывающих и разрыхляющих орбиталей) 8. Опишите спектральные свойства простых (однокомпонентных) и сложных белков.

9. При какой длине волны имеют максимум поглощения нуклеиновые кислоты?

10. В каких целях применяют спектрофотометрический метод в биологии, медицине и фармации?

Рекомендуемая литература 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика : учеб. для вузов / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М., 2003. – С. 446Артюхов В.Г. Биофизика : учеб. пособие / В.Г. Артюхов, Т.А.

Ковалева, В.П. Шмелев. - Воронеж, 1994. – С. 230-242.