🗊Презентация Место биофизики в естествознании

Лекция 1

Место биофизики в естествознании. Методы и направления современной биофизики. Биофизика определяется как физика явлений жизни, изучаемых на всех уровнях ,начиная с молекул и клеток. Несмотря на чрезвычайную сложность физ –хим строения организма , оказывается возможным подойти к пониманию его строения на молекулярном уровне организации, изучив свойства сравнительно немногих классов органических соединений ( аминокислоты ,белки , нуклеиновые кислоты).

Специфика живого впервые проявляется на молекулярном уровне. Современный этап развития биофизики начался по существу с выдающихся открытий Л.Полингом пространственной структуры белка и Д. Уотсоном и Ф.Криком знаменитой спирали жизни ---двойной спирали ДНК. Как вам известно клетка –структурная и функциональная единица живого.(Шлейден ,Шванн) Основу структурной организации клетки составляют мембраны(блм) ---тонкие пограничные структуры молекулярных размеров ,расположенные на поверхности клеток и субклеточных частиц. Основу (матрицу) мембраны формируют фосфолипидные молекулы, каждая из которых имеет полярную голову и неполярный хвост. Головы фосфолипидных молекул содержат фосфатные и холиновые группы и поэтому полярны, хорошо контактируют с молекулами воды(гидрофильны) хвосты неполярные СН цепи жирных кислот (14-24 атома углерода) гидрофобны В водном растворе молекулы фосфолипидов самопроизвольно собираются и образуют двойной слой(бислой), при этом гидрофильные головы обращены к воде а гидрофобные хвосты напралены друг к другу и вытесняют из внутренней области молекулы воды Толщина пипидного бислоя 4-5 нм.

Биофизику условно подразделяют на 3 области : молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика сложных систем .Молекулярная биофизика изучает строение и физ-хим свойства функциональных молекул—прежде всего белков и нуклеиновых кислот. Биофизику условно подразделяют на 3 области : молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика сложных систем .Молекулярная биофизика изучает строение и физ-хим свойства функциональных молекул—прежде всего белков и нуклеиновых кислот. Главные задачи молекулярной биофизики относятся к структуре молекул и их функциональности. Теоретический аппарат –термодинамика , статист .механика, квантовая механика Молекулярная биофизика естественно переходит в биофизику клетки, изучает строение и функциональность клеточных и тканевых систем. Главные задачи : физика биологических мембран и биоэнергетических процессов. Биофизика клетки включает ---изучение генерации и распространения нервного импульса , мышечного сокращения , фотобиологические явления ( фотосинтез ,рецепция света .зрение), биофизику органов чувств –физ. и физ-хим механизмы восприятия специфических раздражителей рецепторами человека ( на квантовом , молекулярном, клеточном уровнях).

Биофизика сложных систем—преимущественно теоретическая область биофизики, посвящённая рассмотрению общих проблем и физ –мат моделированию биологических процессов. Биофизика сложных систем—преимущественно теоретическая область биофизики, посвящённая рассмотрению общих проблем и физ –мат моделированию биологических процессов. Методы современной биофизики должны сочетать : высокую чувствительность и большую точность, поэтому прежде всего используют достижения современной электроники и оптические методы спектроскопии (ЯМР,ЭПР)

Специфика живого впервые проявляется на молекулярном уровне. Современный этап развития биофизики начался по существу с выдающихся открытий Л.Полингом пространственной структуры белка и Д. Уотсоном и Ф.Криком знаменитой спирали жизни ---двойной спирали ДНК. Как вам известно клетка –структурная и функциональная единица живого.(Шлейден ,Шванн) Основу структурной организации клетки составляют мембраны(блм) ---тонкие пограничные структуры молекулярных размеров ,расположенные на поверхности клеток и субклеточных частиц. Основу (матрицу) мембраны формируют фосфолипидные молекулы, каждая из которых имеет полярную голову и неполярный хвост. Головы фосфолипидных молекул содержат фосфатные и холиновые группы и поэтому полярны, хорошо контактируют с молекулами воды(гидрофильны) хвосты неполярные СН цепи жирных кислот (14-24 атома углерода) гидрофобны В водном растворе молекулы фосфолипидов самопроизвольно собираются и образуют двойной слой(бислой), при этом гидрофильные головы обращены к воде а гидрофобные хвосты напралены друг к другу и вытесняют из внутренней области молекулы воды Толщина пипидного бислоя 4-5 нм.

Основные разделы. Молекулярная бииофизика ---изучает строение и физ. свойства молекул, -входящих в состав организма--- прежде всего белков и нуклеиновых кислот. Основная проблема заключается в том, чтобы раскрыть природу взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности биологических макромолекул и механизм функционирования их в живых системах. 2.Биофизика мембранных процессов или биофизика клетки изучает такие функциональные проявления клеток как генерация возбуждения( нервный импульс) и биопотенциалы (кардиография), процесс транспорта веществ через мембраны. 3.Биофизика фотобиологических процессов. Изучает механизмы фотоэнергетических и фоторецепторных систем (зрение), выясняет роль и механизмы участия электронно –возбуждённых состояний в биол.процессах. 4.Биофизика органов чувств—изучает функционирование этих систем в физ. и биол. аспектах и исследует превращение энергии , которое происходит при восприятии внешних раздражений (органы зрения ,слуха и др….)

Бислойное расположение фосфолипидов и прсутствие в мембранах белков были подтверждены методами рентгеноструктурного анализа,а также определены важные структурные параметры мембраны (толщина 7-9 нм, 4-13нм). Использование рентгеновского излучения для анализа мембранных структур, что длина волны излучения сопоставима с размером объекта (0,00001- 80 нм). Бислойное расположение фосфолипидов и прсутствие в мембранах белков были подтверждены методами рентгеноструктурного анализа,а также определены важные структурные параметры мембраны (толщина 7-9 нм, 4-13нм). Использование рентгеновского излучения для анализа мембранных структур, что длина волны излучения сопоставима с размером объекта (0,00001- 80 нм).

Наблюдать структуру мембраны в обычный оптическйий микроскоп невозможно ,т.к .предел разрешения 200 нм,значительно превышает размеры мембраны. Поэтому для исследования структуры мембраны используется электронная микроскопия, которая даёт значительно большие увеличения и предел разрешения достигает 0,1нм. Люминесцентные методы исследования---используют флюоресцентные метки,которые связываются с исследуемыми молекулами и позволяют визуализировать многие процессы. Анализ даёт возможность исследовать подвижность молекул фосфолипидов в мембране,оценить вязкость липидной фазы мембраны. Наблюдать структуру мембраны в обычный оптическйий микроскоп невозможно ,т.к .предел разрешения 200 нм,значительно превышает размеры мембраны. Поэтому для исследования структуры мембраны используется электронная микроскопия, которая даёт значительно большие увеличения и предел разрешения достигает 0,1нм. Люминесцентные методы исследования---используют флюоресцентные метки,которые связываются с исследуемыми молекулами и позволяют визуализировать многие процессы. Анализ даёт возможность исследовать подвижность молекул фосфолипидов в мембране,оценить вязкость липидной фазы мембраны.

Функции мембран

Структура и модели мембран

Структурную основу любой мембраны составляет двойной фосфолипидный слой Липиды построены из полярной головки и двух длинных неполярных углеводородных «хвостов». Полярные головки гидрофильны. «Хвосты» обладают гидрофобными свойствами. Двойной фосфолипидный слой выполняет функцию барьера и матрицы для различных белков. Липиды и белки в бислое мо­гут перемещаться: достаточно быстро внутри слоя вдоль плоско­сти мембраны (латеральная диффузия) и очень медленно между двумя монослоями поперек мембраны (флип флоп переходы).

Расположение белков в мембране В липидную матрицу встроены белки (на одну молекулу белка приходится 75-90 мо­лекул липидов) и функциональные белковые комплексы.

Поверхностные белки (пб). Белковые молекулы покрывают мембрану с обеих сторон и придают ей эластичность и устойчи­вость к механическим повреждениям. Интегральные белки (иб) являются главным компонентом, ответственным за избирательную проницаемость клеточной мембраны.

Модели мембран. первая попытка представить молекулярную организацию клеточных мембран принадлежит Даниэлю –Давсону (1935, Англия) – они предложили модель мембраны ,в которой липиды располагались в два слоя,а поверхность липидов с обеих сторон покрывали белки—модель продержалась почти 40 лет и вполне соответствовала современным представлениям о структуре мембран. В настоящее время принята модель Сингер –Николсона (1972)– жидко –кристаллическая….

Рассмотрим функции мембран—к ним относятся : Рассмотрим функции мембран—к ним относятся : Механическая—мембраны создают раздел между клеткой и окружающей её средой , обеспечивая относительно автономное ,целостное существование клетки Барьерно –транпортная :мембрана определяет потоки веществ идущих через неё , т.е. состав цитоплазмы, в тоже время она образует барьер,ограничивающий внутреннее содержимое клетки ,из внешней среды в клетку поступает вода,разнообразные соли в виде отдельных ионов,неорг.и орг. молекулы. Они проникают в клетку через очень тонкие каналы плазмолеммы

Матричная: обеспечение определённого взаимного расположения белков Кроме того на внутренних мембранах митохондрий происходит синтез АТФ,на мебранх происходит генерация биопотенциалов,происходит акустическая,зрительная и др.рецепции

Мембрана выполняет в жизнедеятельности живых клеток самые различные функции. Механическое разделение. Клетка — элементарная живая система. Каждая клетка окружена наружной клеточной мембраной (плазматической), которая заключает внутри себя содержимое клетки. Транспортная функция. Через мембрану происходит перенос (транспорт) различных веществ Селективный барьер. Мембрана защищает клетку от проник­новения нежелательных частиц и веществ.

Вторая модель - плоский бислой. Такая модель позволяет изучать ионную проницае­мость, генерацию электрического потенциала на мембране. Третья модель — липосомы. Липидные бислои стремятся замкнуться сами на себя, чтобы спрятать гидрофобные «хвосты» от воды. При этом обра­зуются фосфолипидные везикулы — липосомы,. Они представляют собой мельчайшие пузырьки (везикулы), состоящие из билипидной мембраны. Липосомы фактически являются биологической мембраной, полностью лишенной белковых молекул.

Физические свойства мембран

Плотность липидного бислоя составляет 800 кг/м , что меньше, чем у воды. Размеры. Толщина мембраны (L) меняется от 4 до 13 нм, причем различным кле­точным мембранам присуща разная толщина. Вязкость. Липидный слой мембраны имеет вязкость  = 30-100 мПа • с (что соответствует вязкости растительного масла).

Поверхностное натяжение равно 0,03-3 мН • м-1, что на 2 3 порядка ниже, чем у воды (73 тН · м-1). Коэффициент проницаемости мембранного вещества для во­ды ранен 25 33 • 10-4 см/с. Мембрана - конденсатор. Двойной фосфолипидный слой уподобляет мембрану плоскому конденсатору, обкладки кото­рого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный бислой.

Электросопротивление 1 см поверхности мембраны состав­ляет 10-10 Ом. Электроизоляционные свойства мембраны значительно превосходят свойства технических изоляторов. Жидкокристаллическое состояние. при котором вещество об­ладает текучестью, но сохраняет определенную упорядоченность в расположении молекул . При изменении температуры в мембране можно наблюдать фазовые переходы. При фазовых переходах меняется толщина двойного слоя.

Перенос молекул (атомов) через мембраны

Явления переноса - это самопроизвольные необратимые процессы. К явлениям переноса относятся: - диффузия (перенос массы); - вязкость (перенос импульса из слоя в слой); - теплопроводность (перенос энергии); - электропроводность (перенос электрического заряда). Как синоним переноса частиц в биофизике используется термин транспорт частиц.

Уравнение диффузии в однородной среде. Диффузия — явление самопроизвольного переноса массы вещества из области с большей концентра­цией в область с меньшей. Диффузия приводит к равномерному распределению вещества по всему объему. Количественно диффузия описывается специальными параметрами. Потоком вещества (Ф) через элемент поверхности, который перпендикулярен направлению диффузии, называется количество этого вещества, пе­реносимого через данный элемент за единицу времени.

Количество переносимого вещества можно измерять в килограм­мах или молях (г/). : ф = m/t [кг/с] или Ф = vjt [моль/с]. поток пропорционален площади S выделенного элемента. градиенту концентрации (dc/dx) диффундирующего ве­щества. Поэтому формула для расчета потока: Ф = -D{dc/dx)S. (16.2) Коэффициент пропорциональности D называется коэффициен­том диффузии. Знак «—» означает, что поток направлен в сто­рону убывания концентрации (плотности) вещества

Распространение нервного импульса. В мембране локализованы основные биоэлектрические процессы. Реализуется генерация электрического потенциала. Посредством мембраны происходит распространение нервного импульса. Матрица. Мембрана является матрицей (основой) для удержания белков, ферментов.

размерность ко­эффициента диффузии одинакова: [D] = м/с. Коэффициент D зависит от свойств жидкости, свойств диф­фундирующих частиц, температуры. Плотностью потока вещества (J) называется от­ношение потока вещества (Ф) через элемент по­верхности к площади этого элемента (S): J — Ф/S. Единица плотности потока — [кг/(м2 ■ с)] или [моль/(м2 ■ с)]. Плотность потока выражается уравнением диффузии (уравнение Фика): J = -D{dc/dx).

Уравнение Фика для мембраны. Уравнение Фика опи­сывает диффузию в однородной среде обязательно имеет место скачкообразное изменение концентрации частиц диффундирующего вещества. Коэффициент распределения вещества (К) — это величина, равная отношению концентраций ча­стиц в граничащих средах: К = Ссреда 1 / Ссреда 2 •

а) б) в) Распределение концентрации частиц, проходящих через мем­брану

Вещество, диффундирующее через мембрану, преодолевает три барьера а)примембранный слой, б)саму мембрану, в)противоположный примембранный слой. Концентрации частиц внутри и вне клетки соответственно равны с\ и с0. Концентрация частиц в мембране у ее внутренней и внешней поверхностей обозначены см1 и смо- градиент концентрации диффундирующего вещества : dc/dx = (смо- cMi)/L.

для плотности потока J = -D(cMO - cMi)/L = DK{c; - c0)/L. Введем коэффициент проницаемости мембраны (м/с): P = DK/L Окончательно имеем уравнение Фика для диффузии в мем­бранах: J = P(Ci-c0). Это уравнение Фика определяет плотность потока вещества при диффузии через мембрану, то есть описывает пассивный транспорт в мембранах.