База знаний студента. Реферат, курсовая, контрольная, диплом на заказ

1.  Биофизика как наука. Предмет, задачи и объект исследования биофизики. Философские проблемы биофизики.

Б. – Это наука о наиболее фундаментальных законах, лежащих в основе биологических процессов. Общая Биофизика: кинетика и термодинамика ЖС. Частная Биофизика.

Предмет Б. – Живые системы.

Объект Б. – Живая природа в сравнении с неживой природой.

1.   Высокая упорядоченность живых систем: дискретность и целостность; многоуровневая организация.

2.   Способность к самовоспроизведению.

3.   Способность к развитию в направлении усложнения организации.

4.   Феномен информации.

5.   Феномен целесообразности.

Философская проблема: О возможности сведения всех законов к законам физики.

1.   Редукционизм. Все законы ЖС можно свести к законам физики.

2.   Антиредукционизм, Витализм. Законы ЖС принципиально не сводятся к физическим.

3.   Дополнительность. В основе лежат физические законы, но существуют процессы и явления пока не объяснимые с точки зрения физики и химии.

2.  Химические реакции, как модель кинетических закономерностей. Кинетическая классификация химических реакций. Особенности кинетики биологических процессов. Примеры кинетических моделей биологических процессов.

1.   Реакции первого порядка.

2.   Реакции второго порядка.

3.   Цепочка реакций.

4.   Разветвление цепи.

5.   Реакция с обратной связью.

Особенности кинетики БС:

1.   В БС в качестве переменных выступают не только концентрации, но и любые другие величины.

2.   Переменные изменяются не только во времени, но и в пространстве. Скорость определяется не только константами реакции, но и диффузионными процессами.

3.   БС пространственно неоднородны. Условия в разных частях системы могут отличаться.

4.   БС мультистационарны. Может быть несколько устойчивых режимов функционирования.

5.   Процессы в БС нелинейны. Феномен усиления и колебательные процессы.

6.   Кинетические модели БС крайне сложные. Моделирование требует большого числа упрощений.

Кинетические модели БС:

1.   Ряд Фибоначчи.

2.   Модель Мальтуса. Экспоненциальный рост.

3.   Модель роста популяции в избытке пит. веществ.

4.   Модель Ферхюльста. Рост популяции, ограниченный ресурсами.

5.   Модель Лотки и Вольтерра. Модель "Хищник-Жертва".

3.  Понятие стационарного состояния в кинетике биологических процессов. Устойчивость стационарного состояния. Критерий устойчивости. Оценка устойчивости системы, описываемой одним дифференциальным уравнением.

СС – это состояние системы в котором переменные не изменяются.

Устойчивость СС характеризуется поведением системы при отклонении от СС.

Нахождение критерия устойчивости для системы с одним дифференциальным уравнением.

Раскладываем функцию в ряд Тейлора:

4. Кинетические модели, описываемые двумя дифференциальными уравнениями. Фазовая плоскость, фазовые траектории, изоклины, особые точки. Оценка устойчивости системы. Типы особых точек и их характеристика.

В общем виде, система описывается так:

Фазовая траектория – это траектория движения изображающей точки в фазовой плоскости (x:y) во времени.

Изоклины – это линии в фазовой плоскости, во всех точках которых направления касательных к интегральным кривым будут одинаковы.

Анализ устойчивости стационарного состояния:

Типы особых точек:

1.   λ₁ и λ₂ – действительные числа.

a.   Одинаковый знак <0 – устойчивый узел

b.   Одинаковый знак >0 – неустойчивый узел

c.   Разный знак – неустойчивая особая точка типа "седло"

2.   λ₁ и λ₂ – комплексно сопряжённые числа. (Re±Im)

a.   Re<0 – Устойчивый фокус

b.   Re>0 – Неустойчивый фокус

c.   Re=0 – Особая точка "центр"

5.  Химическая реакция с обратной связью. Построение простейшей математической модели. Определение координат особых точек, их типа и степени устойчивости.

6.  Модель "Хищник – Жертва". Определение координат особых точек, их типа и степени устойчивости.

Решения являются комплексно сопряжёнными числами, Re=0, особая точка типа "центр", периодические колебания переменных системы.

7.  Мультистационарность. Понятие о биологических триггерах. Способы переключения в триггерных системах. Понятие о бифуркациях.

Мультистационарные системы – это системы, имеющие несколько стационарных состояний.

В фазовом портрете системы могут существовать множества точек, к которым притягивается или от которых отталкивается изображающая точка при t→∞ или t→-∞. Такие множества называются предельные множества.

Предельные множества подразделяются на Аттракторы и Репеллеры. Предельное множество в виде замкнутой кривой – предельный цикл.

Триггерные системы – это мультистационарные системы, способные переходить из одного стационарного состояния в другое.

Переключение в триггерных системах может происходить двумя способами:

1.   Силовой, специфический.

Переход системы из области действия одного аттрактора в область действия другого за счёт действия внешних сил на переменные системы.

2.   Параметрический, неспецифический.

Параметры системы изменяются таким образом, что в фазовом портрете системы остаётся только одна особая точка, в которую эта система и переходит.

Процесс изменения фазового портрета системы, количества предельных множеств и их устойчивости – бифуркация. Значения параметров системы, при которых она меняет своё поведение называют критическими точками или точками бифуркации.

1.   Мягкие бифуркации.

2.   Кризисы и катастрофы.

Бифуркация, приводящая к появлению предельного цикла – Бифуркация Андронова-Хопфа.

8.  Автоколебательные процессы в биологических системах. Их свойства и условия возникновения.

1.   Автоколебательные процессы устанавливаются за счёт явлений внутри системы.

2.   Амплитуда автоколебаний зависит только от свойств самой системы.

3.   АК процессы возможны только вдали от ТД равновесия.

4.   Причиной АК процессов является наличие большого числа взаимодействующих элементов и обратных связей между ними.

5.   АК процессы всегда устойчивы, отклонения всегда затухают.

6.   В фазовом портрете системы АК процессу соответствует предельное множество – предельный цикл.

Предельный цикл – это изолированная замкнутая кривая на фазовой плоскости, к которой стремятся все интегральные кривые. В этом случае система функционирует в стационарном режиме с определённой амплитудой. Бифуркация, приводящая к появлению предельного цикла – Бифуркация Андронова-Хопфа.

9.  Кинетика ферментативных реакций. Принципиальная схема ферментативной реакции. Математическое моделирование ферментативной реакции. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Ингибирование ферментативных процессов.

Общая схема ферментативной реакции:

Так как p+s=const и e+(es)=e₀

При избытке субстрата система быстро достигает стационарного состояния при котором (es)=const. При этом d(es)=0. Методом квазистационарных состояний можно найти

Константа Михаэлиса равна отношению суммы констант распада комплекса к константе образования комплекса. Численно равна концентрации субстрата при которой половина молекул фермента связана в фермент-субстратный комплекс. Скорость реакции максимальна, когда все молекулы фермента связаны в фермент-субстратный комплекс.

Ферментативные процессы являются регулируемыми.

1.   Конкурентное ингибирование – сродство с активным центром.

2.   Неконкурентное ингибирование – аллостерическое.

3.   Антиконкурентное ингибирование – ингибитор соединяется с (es) комплексом.

4.   Смешанное ингибирование – по активному и аллостерическому центру.

5.   Ингибирование избытком субстрата.

10.    Динамический хаос. Его характеристика. Динамический хаос  и самоорганизующиеся системы. Значение динамического хаоса для самоорганизующихся систем.

Динамический хаос – явление в теории динамических систем, при котором поведение нелинейной системы выглядит случайным и является непредсказуемым на больших временах. Причиной появления хаоса является неустойчивость по отношению к начальным условиям и параметрам: малое изменение начального условия со временем приводит к сколь угодно большим изменениям динамики системы.

Тип аттрактора, соответствующий состоянию динамического хаоса – странный аттрактор.

Динамический хаос может протекать в системе в качестве перехода к самоорганизации, а может протекать в уже организованной системе. Динамический хаос представляет собой множественные бифуркации. Хаотическое поведение системы приводит к образованию фрактальных диссипативных структур.

11.    Первый и второй законы термодинамики. Их формулировка и физический смысл. Обратимые и необратимые процессы.

Первый закон термодинамики выражает закон сохранения энергии в общем виде.

Изменение внутренней энергии системы может происходить за счёт обмена теплоты, за счёт работы и за счёт обмена веществом, в случае открытой системы.

Работа в общем виде представлена выражением

F – движущая сила. dx – изменение параметра.

Fdl – механическая работа

pdV – работа расширения газа

UdQ – электрическая работа

μdν – химическая работа

Второй закон термодинамики был сформулирован Клаузиусом.  Невозможно построить двигатель, который работал бы по полному циклу Карно и превращал всю теплоту в работу. Теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к нагретому.

В реальных тепловых двигателях

Часть теплоты подводимой от нагревателя расходуется на увеличение молекулярного движения, температуры рабочего тела. Клаузиус также ввёл понятие энтропии, как функции состояния, приращение которой равно теплоте, подведённой к системе в обратимом изотермическом процессе, делённой на абсолютную температуру, при которой происходит этот процесс.

Энтропия изолированной системы может только возрастать.

Необратимые процессы, после протекания которых систему и среду нельзя вернуть в прежнее состояние одновременно. Необратимые процессы приводят систему к состоянию ТД равновесия.

Обратимые процессы, после протекания которых и систему, и среду можно вернуть в исходное состояние.

12.    Понятие термодинамического равновесия. Равновесные и неравновесные системы. Критерии эволюции системы к  состоянию термодинамического равновесия.

ТД равновесие – это устойчивое состояние системы, при котором интенсивные параметры одинаковы во всех частях системы. К равновесному состоянию приходит изолированная система по истечении достаточно большого промежутка времени.

Равновесная система – Интенсивные переменные в разных частях системы одинаковы. Движущие силы отсутствуют. Если такая система изолирована, то она может находиться в состоянии равновесия неограниченно долго.

Неравновесная система – Интенсивные переменные в разных частях системы различаются. Если такая система изолирована, то она необратимо эволюционирует к состоянию ТД равновесия. В ней возникают движущие силы, влекущие систему к состоянию ТД равновесия.

Критерии эволюции системы к ТД равновесию:

1.   Максимальная энтропия. При U и V = const.

В точке ТД равновесия энтропия максимальна.

2.   Минимальная U. При S, V =const.

При приближении к состоянию ТД равновесия, внутренняя энергия системы уменьшается.

3.   Минимальная свободная энергия.

·        Энергия Гельмгольца. T, V=const.

·        Энергия Гиббса. T, p=const.

·        Энтальпия

13.    Принципы экстремумов в термодинамике. Их сущность и значение.

Принцип экстремумов заключается в том, что в системах самопроизвольные процессы всегда стремятся к минимуму внутренней энергии и максимуму энтропии, поэтому можно предсказать эволюцию системы, найдя экстремальные значения переменных с минимальной внутренней энергией. Зная зависимость внутренней энергии от переменной системы можно найти значение этой переменной, соответствующее минимальной энергии, а следовательно, состоянию термодинамического равновесия или стационарному состоянию, в случае ограничений, наложенных на систему.

Критерии эволюции системы к ТД равновесию:

1.   Максимальная энтропия. При U и V = const.

В точке ТД равновесия энтропия максимальна.

2.   Минимальная U. При S, V =const.

При приближении к состоянию ТД равновесия, внутренняя энергия системы уменьшается.

3.   Минимальная свободная энергия.

·        Энергия Гельмгольца. T, V=const.

·        Энергия Гиббса. T, p=const.

·        Энтальпия

Минимальное значение свободной энергии сводится к максимальному значению энтропии.

14.    Энтропия. Её физический смысл с позиций термодинамики и молекулярной физики. Связь энтропии и информации.

Энтропия – это функция состояния системы, приращение которой равно теплоте, подведённой к системе в обратимом изотермическом процессе, делённой на абсолютную температуру при которой происходит этот процесс.

Больцман ввёл понятие энтропии, как величины, пропорциональной логарифму вероятности нахождения системы в конкретном макросостоянии.

P – это то число микросостояний, которыми может быть реализовано данное макросостояние.

K – Постоянная Больцмана 1,38х10^-23 Дж/К.

Необратимые процессы, ведущие систему к увеличению энтропии, ведут систему к максимальному числу микросостояний, к ТД хаосу, равновесию.

В состоянии ТД равновесия, при максимальной энтропии, информационная структура системы нулевая. Энтропия и информация связаны, как обратные величины: уменьшение энтропии системы связано с увеличением информации этой системы.

15.    Изменение энтропии в открытых системах. Определение скорости продукции энтропии в открытых системах.

В открытых системах скорость продуцирования энтропии складывается из скорости продуцирования энтропии за счёт внутренних необратимых процессов и за счёт обмена энтропией с внешней средой.

Изменение внутренней энергии в открытой системе складывается из изменения теплоты, работы и обмена веществом с внешней средой.

Приведя выражение к изменению энтропии, получаем:

Изменение энтропии складывается из обмена с внешней средой энергией, работой и веществом.

В самопроизвольной химической реакции изменение энтропии за счёт внутренних необратимых процессов связано только с изменением количества реагирующих веществ.

Для химической реакции x+y=2z

A – химическое сродство. Является движущей силой химической реакции. Реакция идёт до тех пор, пока A>0.

Таким образом, в открытых системах общее изменение энтропии равно:

16.    Понятие термодинамического равновесия. Общие свойства систем вблизи термодинамического равновесия.

1.   Интенсивные переменные в разных точках системы различаются не резко.

2.   ТД силы и скорости процессов невелики, скорости линейно зависят от движущих сил. Выполняется соотношение Онзагера.

3.   Скорость продуцирования энтропии пропорциональна произведению скоростей процессов на движущие силы.

4.   Все стационарные состояния являются устойчивыми.

5.   Аттракторами могут являться ТД равновесие и любое стационарное состояние.

6.   Флуктуации, приводящие к отклонению от аттракторов, затухают.

7.   Вблизи ТД равновесия невозможна временная и пространственная упорядоченность.

17.    Сравнительная характеристика стационарного состояния и термодинамического равновесия. Критерии эволюции системы к стационарному состоянию. Теорема Пригожина.

В стационарном состоянии свободная энергия и работоспособность системы постоянны, а в состоянии ТД равновесия они минимальны.

В СС энтропия постоянна, а в ТД равновесии она максимальна.

В СС существуют градиенты переменных и могут протекать ТД процессы, а в состоянии ТД равновесия градиенты и процессы отсутствуют.

Если на систему наложены ограничения, препятствующие её переходу в состояние ТД равновесия, она переходит в СС.

т. Пригожина

Пусть в системе имеется два потока: J₁≠0 и J₂=0, тогда диссипативная функция:

Будем считать фиксированной силу X₁=const.

Если система близка к состоянию ТД равновесия, выполняется соотношение Онзагера L₁₂=L₂₁ и

В стационарном состоянии, близком к равновесию, продукция энтропии минимальна. Теорема Пригожина представляет собой критерий эволюции системы к стационарному состоянию и показывает, что вблизи ТД равновесия невозможны колебательные процессы.

18.    Термодинамический подход к анализу сопряжённых процессов. Связь между потоками, движущими силами и скоростью продуцирования энтропии при сопряжении. Соотношение Онзагера. Биологические примеры сопряжённых процессов.

В околоравновесных системах скорость продуцирования энтропии пропорциональна движущим силам.

В сопряжённых процессах потоки зависят от обобщённых движущих сил.

Процесс i сопряжён с процессами j.

Рассмотрим два сопряжённых процесса:

Диссипативная функция для сопряжённых процессов:

Вблизи равновесия по соотношению Онзагера:

В условиях сопряжения, диссипативная функция отдельных потоков может быть отрицательной, но при этом, диссипативная функция всей системы будет больше нуля. Если один поток отрицателен, то диссипативная функция сопряжённых потоков должна выполнять условие:

Таким образом, сопряжение процессов позволяет прохождению в системе процессов, невозможных в замкнутой системе.

Наиболее типичными сопряжениями процессов в БС являются процессы сопряжения гидролиза АТФ с эндэргоническими процессами, что позволяет этим процессам протекать. Без сопряжения эти процессы были бы невозможны.

19.    Скорость продуцирования энтропии вблизи стационарного состояния системы. Теорема Пригожина.

При неизменных внешних условиях в СС, близком к ТД равновесию, скорость прироста энтропии за счёт внутренних необратимых процессов достигает отличного от нуля минимального положительного значения.

т. Пригожина

Пусть в системе имеется два потока: J₁≠0 и J₂=0, тогда диссипативная функция:

Будем считать фиксированной силу X₁=const.

Если система близка к состоянию ТД равновесия, выполняется соотношение Онзагера L₁₂=L₂₁ и

В стационарном состоянии, близком к равновесию, продукция энтропии минимальна. Теорема Пригожина представляет собой критерий эволюции системы к стационарному состоянию и показывает, что вблизи ТД равновесия невозможны колебательные процессы.

20.    Общие свойства систем вдали от термодинамического равновесия.

1.   Интенсивные переменные в разных точках системы резко отличаются, поэтому движущие силы и скорости процессов достаточно велики.

2.   Скорости процессов не являются линейными функциями движущих сил, соотношение Онзагера не выполняется.

3.   Скорость продуцирования энтропии не пропорциональна произведению скоростей процессов на движущие силы. По изменениям диссипативной функции нельзя однозначно судить о приближении системы к СС. Теорема Пригожина не выполняется.

4.   Вдали от ТД равновесия возможны неустойчивые СС.

5.   Большую роль в работе системы играют флуктуации.

6.   Эволюция системы может приводить к возникновению упорядоченных структур. Диссипативные структуры.

Флуктуации – это случайные отклонения переменных от их стационарных значений.

Если СС устойчиво, то Ф. не могут вывести систему из этого СС. Если СС неустойчиво, то Ф. приводят к значительным отклонениям системы от СС до перехода этой системы в новое СС. Ф. играют большую роль во временной эволюции системы, особенно вблизи точек бифуркации.

21.    Диссипативные структуры: их классификация. Условия возникновения диссипативных структур. Характеристика отдельных видов диссипативных структур.

·        Химические ДС. Возникают в химических неравновесных системах.

Реакции Белоусова-Жоботинского. Характерна временная упорядоченность, возникновение автоколебательных процессов. Это связано с наличием большого числа взаимодействующих веществ, автокаталитических стадий и обратных связей. В случае достаточного объёма системы и при наличии диффузионных процессов образуется пространственная упорядоченность, структуры Тьюринга.

·        Физические ДС.

Неустойчивость Бенара. Образовании гексагональных ячеек в жидкости высокой плотности при наличии градиента температуры и конвекционных потоков. Также к физическим ДС относятся гидродинамические турбулентности, которые также являются неравновесными системами.

·        Биологические ДС.

Все биологические системы являются резко неравновесными и упорядоченными в пространстве и времени. В биологических системах наиболее часто встречаются диссипативные структуры.

Образование пространственных структур в жизненном цикле слизевика: На начальной стадии, при достатке пищи, существуют отдельные миксамёбы. При недостатке питательных веществ отдельные миксамёбы начинают выделять в среду цАМФ, который распространяется в среде посредством диффузии. цАМФ воспринимается другими миксамёбами, и оказывает на них двойной эффект: он вызывает вторичное выделение этими миксамёбами цАМФ, что приводит к усилению сигнала, а также вызывает движение миксамёб по градиенту концентрации в направлении к источнику первичного сигнала. При этом формируется пространственно упорядоченная диссипативная структура – плазмодий.

Чтобы общее изменение энтропии было отрицательным, изменение энтропии за счёт обмена с внешней средой должно быть по модулю больше, чем изменение за счёт внутренних необратимых процессов, и отрицательно. Должен происходить экспорт энтропии во внешнюю среду и поступление свободной энергии в систему.

Экспорт энтропии, превышающий её производство в системе происходит с участием энтропийных насосов. По характеру энтропийных насосов самоорганизующиеся системы делятся на:

·        Пассивные. Когда энтропийный насос находится в окружающей среде и закачивает свободную энергию в систему. Пример: Ячейки Бернара.

·        Активные. Энтропийный насос является частью самой системы. Такая система способна активно, самостоятельно поглощать свободную энергию из окружающей среды. К активным относятся все живые системы.

22.    Информация в биологии.

Информация – это величина, понижающая энтропию системы, приводящая к её упорядоченности.

1.   Получение системой И. приводит к снятию неопределённости и возрастанию порядка в системе.

2.   Приём и передача И. связаны с необратимым производством энтропии в системе.

3.   В состоянии ТД равновесия И. системы равна нулю, а энтропия максимальна.

4.   Источником и приёмником И. могут быть только высокоупорядоченные открытые системs/ Такими системами являются, например, все живые системы.

5.   И. существует в сигнально-кодовой форме.

6.   И. инвариантна относительно формы её представления.

7.   Для оперирования И. существуют специализированные информационные структуры: генетическая, гуморальная, нервная и многочисленные экстрасоматические системы.

Для того чтобы система могла использовать информацию должны выполняться некоторые условия:

1.   Система должна быть мультистационарной.

2.   Система должна быть устойчивой. Переключение триггерной системы должно происходить только под действием внешних сил. Это обеспечивает существование феномена памяти. Обусловленные флуктуациями переходы должны происходить крайне редко.

3.   В фазовом пространстве системы должна существовать область, из которой доступны все аттракторы данной системы. Направление перехода должно зависеть только от типа внешнего воздействия.

23.    Феномен белка в биофизике. Уникальность строения и свойств белка.

Белки являются биополимерами, состоящими из аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями. Они часто имеют нерегулярное строение и сложную пространственную структуру.

Белки способны к взаимному превращению практически любых форм энергии и к использованию энергии для совершения работы. Белки таким образом определяют функциональную активность живых систем.

Белки крайне вариабельны и уникальны. Белки многообразны по своей структуре и выполняемым функциям. В то же время белки, выполняющие одинаковую функцию могут иметь различную структуру, и наоборот.

Белки выполняют свои функции в физиологических, мягких условиях. При их функционировании редко образуются побочные продукты.

Белки образуют сложную пространственную структуру. Она образуется в результате самоорганизации на основе первичной структуры и полностью определяется ею.

Пространственная организация имеет принципиальное значение для реализации свойств белка.

24.    Элементарные взаимодействия в белках. Их виды. Ковалентные, координационные связи и силы Ван-дер-Ваальса. Их характеристика.

Элементарные взаимодействия в белках делятся на: Ковалентные связи, Координационные связи, Силы Ван-дер-Ваальса, Водородные связи и Гидрофобные взаимодействия.

1.   Ковалентные связи.

В белках наибольшую роль играют пептидные связи – между соседними АК, и дисульфидные связи – между удалёнными серосодержащими АК одной или разных цепей. Цистеин.

2.   Координационные связи.

Образуются между атомами O, N или S с 2х или 3х валентными ионами металлов, обычно входящих в активный центр белка. При этом образуется хелатное соединение металла с несколькими атомами белка.

3.   Взаимодействия Ван-дер-Ваальса.

Возникают при сближении атомов с полностью заполненными орбиталями.  Эти взаимодействия имеют квантовую природу и обусловлены синхронизацией колебаний электронов взаимодействующих атомов.

Взаимодействие проявляется притягиванием на больших расстояниях и отталкиванием на малых расстояниях, при этом атомы располагаются на стабильном расстоянии друг от друга и не могут приближаться друг к другу ближе, чем на 3Ǻ.

Силы Ван-дер-Ваальса также обеспечивают запрет цис-конформации пептидной связи и устойчивость транс-конформации.

25.    Элементарные взаимодействия в белках. Водородные связи и гидрофобные взаимодействия. Их характеристика.

Элементарные взаимодействия в белках делятся на: Ковалентные связи, Координационные связи, Силы Ван-дер-Ваальса, Водородные связи и Гидрофобные взаимодействия.

1.   Водородные связи.

Образуются между атомом водорода, ковалентно связанным с электроотрицательным атомом и другим электроотрицательным атомом. Водородная связь имеет электростатическую природу и связана с наличием парциальных зарядов на взаимодействующих атомах. Водородная связь направлена от донора(водород) к акцептору(атому O или N). Водород всегда выступает донором одной водородной связи, кислород может быть акцептором двух водородных связей.

В белках водородные связи образуются между отдельными группами аминокислотных остатков и между полярными АК и молекулами воды.

2.   Гидрофобные взаимодействия.

Возникают между гидрофобными участками АК цепи. Неполярный участок препятствует образованию водородных связей между молекулами воды. Это приводит к уменьшению энтропии в системе и увеличению свободной энергии, так как происходит уменьшение числа степеней свободы у молекул воды, находящихся в контакте с неполярным участком. Далее происходит самопроизвольный процесс сближения гидрофобных участков для уменьшения поверхности их соприкосновения с молекулами воды. Таким образом, гидрофобные взаимодействия обусловлены эволюцией белка к стационарному состоянию с минимальной площадью контакта гидрофобной части с молекулами воды. В белках наиболее гидрофобные остатки образуют "гидрофобное ядро", окружённое гидрофильными остатками.

26.    Первичная структура белка. Пептидная связь и её свойства. Пространственная конфигурация полипептидной цепи. Факторы её определяющие. Карты Рамачандрана.

Первичная структура полипептидной цепи представлена последовательностью АК остатков, соединённых пептидными связями. Возможные конфигурации пептидной цепи прежде всего обусловлены плоским строением пептидной связи.

1.   Валентные углы. Порядка 109°.

2.   Двугранные углы поворота вокруг валентной связи

·        ω – Угол внутри пептидной связи, наиболее стабилен и составляет около 179°.

·        φ и ψ углы – Между C_α атомом и C или N пептидной связи.

·        χ – Между С_α атомом и атомом боковой цепи.

В то время как валентные углы и ω угол достаточно постоянны, углы φ и ψ сильно отличаются и зависят от АК остатков, связанных пептидной связью, а также от прочих условий.

Для определения наиболее устойчивых значений этих углов и запрещённых конформаций были получены стерические карты Рамачандрана для разных АК. Расчёт карт Рамачандрана проводился из предположения об атомах, как твёрдых сферах с Ван-дер-ваальсовыми радиусами. Область разрешённых значений углов зависит в большой степени от размера радикала и от соседних АК, также свои ограничения накладывают и другие типы взаимодействий в белке.

27.    Вторичная структура белка. Типы вторичной структуры, их особенности. Образование вторичной структуры белка.

1.   α-структура.

Стабилизирована водородными связями между H пептидной группы и карбонильным O отстоящим на 4 АК остатка. В образовании спирали участвуют все пептидные группы. Так как задействуются все водородные связи, спираль приобретает гидрофобные свойства. Вся спираль представляет собой диполь, "+" на N-конце и "–" на C-конце. α-спираль является самой устойчивой вторичной структурой и самой часто встречающейся. Некоторые АК могут нарушать структуру спирали, препятствуя её сворачиванию, это АК с крупными радикалами: пролин, гистидин, триптофан.

2.   β-структура.

В β-структуре водородные связи образуются между параллельно уложенными цепями, при этом образуются слои или листы. Бывают параллельные, антипараллельные и смешанные β-слои. При этом β-слои всегда имеют некоторую скрученность и также являются гидрофобными структурами за счёт полностью задействованных водородных связей.

3.   Спирали без водородных связей.

Такие спирали образуются только за счёт сил Ван-дер-Ваальса. Например, полипролиновая спираль в молекуле коллагена.

4.   Нерегулярная структура.

Часто встречается нерегулярная пространственная структура с чередованием регулярных и нерегулярных участков. Такая структура характерна для большинства функциональных белков.

Образование α-спирали происходит как нефазовый переход, так как оба фазовых состояния одномерны и не происходит изменения границы фаз.

Образование β-листов происходит как ФП 1 рода, площадь контакта цепи с листом зависит от размера контактирующих элементов. Процесс образования β-структуры происходит значительно дольше.

28.    Третичная структура белка. Классификация белков по типу третичной структуры.

Третичная структура белков стабилизируется гидрофобными взаимодействиями, водородными и дисульфидными связями.

Различают третичную структуру у фибриллярных, глобулярных и мембранных белков.

Наиболее простая третичная структура характерна для фибриллярных белков. Для них характерна высокая регулярность первичной и вторичной структуры и большие размеры полипептидной цепи.

·        α-структурные. Например, коллаген.

Первичная структура представлена полимером трипептида (-гли-про-про-), закрученного во вторичную структуру α-спираль. Третичная структура представлена суперспиралью из трёх полипептидных цепей.

·        β-структурные. Например, фиброин шёлка.

Фиброин образован чередующимися АК глицина и аланина, уложенными в β-слои по 8 блоков. Эти структуры затем накладываются друг на друга, образуя более сложную структуру.

·        Существуют также глобулярные белки, образующие фибриллярную третичную структуру. К таким белкам относится актин.

Глобулярные белки имеют наиболее сложную пространственную структуру. В центральной части глобулы обычно располагается гидрофобное ядро, образованное α и β-структурами и гидрофобными АК. На периферии располагаются нерегулярные петли, гидрофильные участки, образующие водородные связи с молекулами воды. В глобулярных белках часто выделяют промежуточную доменную структуру, образованную стабильными сочетаниями блоков вторичной структуры. По преобладающим типам структуры выделяют: α-глобулы, β-глобулы и смешанные белки.

К отдельному типу относят мембранные белки. Их особенностью является наличие трансмембранного участка, образованного гидрофобными структурами и обращённого к липидам мембраны. Для трансмембранного участка обычно характерна высокая регулярность укладки и простота третичной структуры. Гидрофильные участки располагающиеся на поверхности мембраны имеют нерегулярную структуру.

29.    Физическая теория фазовых переходов. Понятие фазового перехода. Типы фазовых переходов. Образование и разрушение пространственной структуры белка с позиции теории фазовых переходов.

Фаза вещества – это состояние вещества, которому в данных условиях соответствует минимум свободной энергии. При изменении условий могут происходить переходы между фазами, изменение фазового состояния вещества. По характеру изменения свободной энергии выделяют три типа фазовых переходов.

ФП 1 рода.

В процессе ФП наблюдается только начальное и конечное состояния, невозможно уловить промежуточные состояния. ФП происходит в узком диапазоне условий, зависимость свободной энергии от условий носит S-образный характер. Изменение фазы происходит по принципу "Всё или Ничего". Стабильные состояния между ФП 1 рода разделены достаточно высоким энергетическим барьером, поэтому они происходят достаточно длительное время.

ФП 2 рода.

Для этого типа ФП характерно постепенное изменение фазы через многочисленные промежуточные состояния, принцип "Всё или Ничего" отсутствует. Скачок энергии в малом диапазоне условий отсутствует, поэтому ФП 2 рода происходят быстро и в более широком диапазоне условий. При достижении температуры ФП происходит скачок теплоёмкости системы, в результате дальнейший рост температуры сопровождается слабым ростом энергии.

Нефазовые переходы.

Для них характерно значительное изменение упорядоченности системы без изменения её агрегатного состояния и размерности.

В процессах денатурации и ренатурации белка разные стадии представляют собой фазовые переходы разного рода. Для малых белков процесс можно считать одностадийным. Этот процесс происходит как ФП 1 рода.

Для крупных белков этот процесс многостадийный, и разные его стадии происходят как ФП разного рода.

Ранние этапы самосборки различаются в зависимости от типа вторичной структуры.

Образование α-спирали происходит как нефазовый переход, так как оба фазовых состояния одномерны и не происходит изменения границы фаз.

Образование β-листов происходит как ФП 1 рода, площадь контакта цепи с листом зависит от размера контактирующих элементов. Процесс образования β-структуры происходит значительно дольше.

Процесс образования и разрушения нативной структуры происходит как ФП 1 рода. В процессе этого перехода происходит изменение энтропии системы, компенсированное изменением свободной энергии. Это обеспечивается наличием большого числа слабых связей с низкой энергией.

К ФП 2 рода могут относиться процессы образования и разрушения доменных структур, которые часто сопровождаются ростом теплоёмкости системы.

30.    Денатурация белка. Её термодинамическая характеристика. Этапы денатурации белка. Механизмы денатурации. Способы денатурации.

Денатурация – это процесс разрушения нативной пространственной структуры белка. Этот процесс сопровождается изменением функциональной активности, упорядоченности боковых групп и фиксированности глобулярной структуры. В термодинамическом плане денатурация сопровождается увеличением энтропии и уменьшением свободной энергии белка. Существует два механизма денатурации для малых и крупных белковых молекул.

1.  

2.  

В первом случае процесс денатурации представляет собой ФП 1 рода, что обеспечивается наличием большого числа слабых связей с глобуле.

Во втором случае на первом этапе плавления глобулы происходит нарушение упорядоченности боковых групп, но сохраняется общая пространственная структура. Этот переход происходит как ФП 1 рода. Дальнейшие этапы денатурации зависят от доменной и вторичной структуры и могут происходить как ФП любого рода.

Расплавленная глобула является устойчивым интермедиатом разворачивания белка и характеризуется минимумом свободной энергии.

По способам денатурации различается

1.   Температурная.

Существует тепловая и холодовая денатурация. При тепловой происходит разрушение связей за счёт увеличения скорости теплового движения, а при Холодовой происходит ослабление гидрофобных взаимодействий, что приводит к падению стабильности белка.

2.   Химическая.

Связана с оттягиванием части водородных связей химическими веществами, часто электролитами, что приводит к падению устойчивости боковых групп. (мочевина, гуанидин гидрохлорид)

3.   Лучевая.

Лучевая денатурация связана с поглощением атомами энергии, приводящим к разрыву ковалентных связей.

31.    Самоорганизация белка. Этапы самоорганизации белка. Термодинамическая оценка процесса самоорганизации. Особенности процесса самоорганизации белка в условиях in vivo. Парадокс Левинталя, его сущность и разрешение.

Самоорганизация – это путь к глобальному минимуму свободной энергии. Этот путь единственно возможный в данных условиях для данной молекулы. Для белков процесс самоорганизации заключается в образовании пространственной структуры.

В процессе ренатурации белка разные стадии представляют собой фазовые переходы разного рода. Для малых белков процесс можно считать одностадийным. Этот процесс происходит как ФП 1 рода.

Для крупных белков этот процесс многостадийный, и разные его стадии происходят как ФП разного рода.

Ранние этапы самосборки различаются в зависимости от типа вторичной структуры.

Образование α-спирали происходит как нефазовый переход, так как оба фазовых состояния одномерны и не происходит изменения границы фаз.

Образование β-листов происходит как ФП 1 рода, площадь контакта цепи с листом зависит от размера контактирующих элементов. Процесс образования β-структуры происходит значительно дольше.

Процесс образования нативной структуры из расплавленной глобулы происходит как ФП 1 рода. В процессе этого перехода происходит уменьшение энтропии системы, компенсированное падением свободной энергии. Это обеспечивается наличием большого числа слабых связей с низкой энергией.

К ФП 2 рода могут относиться процессы образования и разрушения доменных структур, которые часто сопровождаются ростом теплоёмкости системы.

Парадокс Левинталя заключается в том, что каждый АК остаток имеет порядка 10 возможных конформаций, цепь из 100 АК остатков будет иметь 10¹⁰⁰ возможных конформаций. При этом, белок должен менять свою конформацию в сторону наименьшей свободной энергии и "почувствовать" стабильное состояние. При этом перебор возможных состояний даже короткой цепи в 100 АК потребовал бы 10⁸⁰ лет при скорости перехода между конформациями порядка 10^-13 секунд. Но при этом процесс образования нативной структуры происходит за время порядка 1 секунды.

Парадокс разрешается при учёте нуклеационного механизма сворачивания. Пространственная организация начинается в самом начале синтеза полипептидной цепи с образования ядра сворачивания. Ядро сворачивания образуется изначально из АК имеющих небольшое число разрешённых конформаций. В процессе синтеза цепи новые АК контактируют с ядром сворачивания, которое ограничивает число разрешённых конформаций. В процессе синтеза всё новые АК вовлекаются в ядро сворачивания, увеличивая его поверхность, скорость падения энергии системы возрастает. В этом заключается котрансляционный механизм сворачивания. Образование зародыша сворачивания соответствует локальному энергетическому минимуму, а далее система стремится к глобальному энергетическому минимуму – к нативной структуре.

Также в клетке могут присутствовать ферменты, катализирующие отдельные этапы самосборки – фолдазы, а также шаперолы, белки теплового шока, способные стабилизировать структуру синтезируемого белка, формируя с ним нековалентные связи.

32.    Механизмы ферментативного катализа на примере работы сериновых протеаз.

В общем виде механизм ферментативного катализа представлен несколькими стадиями:

Сериновые протеазы катализируют процесс расщепления пептидной связи. Без участия фермента реакция идёт через промежуточное состояние тетраэдрического комплекса. Это состояние характеризуется высоким уровнем свободной энергии и для протекания реакции в отсутствии фермента необходимо преодоление высокого энергетического барьера.

Сериновые протеазы стабилизируют переходное состояние и таким образом снижают энергетический барьер.

Активный центр состоит из каталитического центра, непосредственно осуществляющего химическую трансформацию и из субстрат-связывающего центра, обеспечивающего правильное расположение субстрата в пространстве относительно каталитического центра.

Главным каталитическим центром является боковая цепь серина(195), от которой отщепляется протон, расположенным рядом остатком гистидина, при участии аспартата. Углеродный атом пептидной связи образует временную ковалентную связь с активным центром, переходя в тетраэдрическую форму. Но образующийся тетраэдрический комплекс имеет меньшую свободную энергию, так как "–" заряд карбоксильной группы втягивается в оксианионовую дыру(протоны, образующие водородные связи), а донором протона является гистидин, удобно расположенный в пространстве, благодаря неспецифической пептид-связывающей площадке, ориентирующей пептидную связь относительно активного центра. Всё это снижает неопределённость системы, уменьшает энтропию и свободную энергию системы.

В общем случае эффект действия ферментов обеспечивается эффектами:

1.   сближения фермента и субстрата, что эквивалентно увеличению их концентрации.

2.   ориентации участников реакции в пространстве друг относительно друга.

3.   стабилизации промежуточного продукта реакции.

4.   поляризации и перераспределения электронной плотности субстрата.

5.   индуцированного соответствия фермента и субстрата.

33.    Конформационные изменения в белке. Их значение для работы белка.

Конформационные изменения играют большую роль в функционировании белка. Это определяется, во-первых, индуцированным соответствием пространственной структуры: Изначально фермент находится в открытом состоянии, способном присоединять субстрат, соединение с субстратом вызывает конформационные изменения фермента и субстрата. Фермент переходит в закрытую форму. В закрытой форме фермент осуществляет катализ и под действием продуктов снова меняет конформацию на открытую и отщепляет продукты реакции.

Во-вторых, конформационные изменения могут играть роль для выполнения собственно рабочего действия белка или для перехода от одного режима действия к другому.

Примеры: K/Na-АТФаза, Воротный механизм ионных каналов, аллостерическая регуляция ферментов.

34.    Внутримолекулярная динамика белка. Изменения конформации гемоглобина при оксигенации. Роль аллостерических регуляторов.

Каждая субъединица гемоглобина несёт одну группу гемма, расположенную между F и E спиралями глобина. Атом Fe образует 4 связи с атомами азота пиррольных колец, одну связь с гистидином и одну связь с O₂ или CO₂.

Функционально гемоглобин может находиться в двух конформационных состояниях:

Высокоспиновое:

d-электроны расположены таким образом, чтобы число неспаренных электронов было максимальным. Диаметр атома больше и выступает над плоскостью гема. Атом железа имеет 5 связей и способен присоединять кислород.

Низкоспиновое:

d-электроны расположены таким образом, что число неспаренных электронов минимально. Атом железа имеет меньший радиус и находится в плоскости гема. Железо имеет 6 связей.

Переход в низкоспиновое состояние происходит при присоединении кислорода, это приводит к уменьшению радиуса атома железа и втягиванию его в плоскость гема. Это перемещение вызывает изменение всей конформации полипептидной цепи глобина. Конформационные изменения одной субъединицы вызывают изменения других субъединиц. Это приводит к тому, что атом железа втягивается в плоскость гема до присоединения кислорода, что вызывает повышение сродства гема к кислороду. Таким образом, присоединение последних атомов кислорода к гемоглобину происходит легче. Таким образом происходит кооперативное взаимодействие субъединиц гемоглобина.

Аллостерическая регуляция происходит аналогичным образом. Присоединение регулятора к ферменту вызывает комплекс конформационных перестроек, что приводит к изменению функциональной активности фермента, его активации.

35.    Прогнозирование и дизайн белковых структур.

Для расчёта пространственной структуры на основе АК последовательности используют два общих подхода:

·        Гомологичное моделирование

Создаётся база шаблонов первичной структуры и их структурообразующих свойств. Сходства последовательностей достаточно для сходства пространственной структуры.

·        Математическое моделирование

Производится расчёт структуры с минимальной свободной энергией или моделируется наиболее оптимальный процесс сворачивания структуры. Этот метод более точен, но требует намного больших вычислительных мощностей. Для него используются сети распределённого вычисления и суперкомпьютеры.

"Метод протягивания" заключается из предположения о том, что большинство вариантов третичной структуры уже известны. Производится перебор конформаций, расчёт их стабильности и выбор конформации с минимальной свободной энергией.

Направление белкового дизайна занимается моделированием белков с заданными свойствами. Главной проблемой этого направления является нестрогое соответствие между структурой и функциями белка. Существуют белки со схожей пространственной структурой, но выполняющие разную функцию, и наоборот.

Методы белкового дизайна подразделяются на: теоретические (основаны на знании соответствия между структурой и функциями АК последовательностей в реальных белках) и практические (основанные на методах точечных мутаций и синтеза искусственных белков).

37.    Законы поглощения электромагнитного излучения веществом. Спектрофотометрия, её физические основы.

Спектрофотометрия – это область физики исследующая распределение электромагнитного излучения по длинам волн или частотам.

В наиболее общем случае все спектрофотометрические методы основаны на анализе интенсивностей света разной длины волны поглощенного веществом или прошедшего через него. Атомы и молекулы имеют дискретные энергетические уровни. Если на вещество падает ЭМ волна, то энергия, равная разнице энергии перехода между энергетическими уровнями может поглощаться. При этом происходит снижение интенсивности излучения. Этот переход осуществляется с разной вероятностью при разных длинах волн.

Интенсивность поглощения, по закону Бугера-Ламберта-Бэра:

В этом соотношении интенсивность света, прошедшего через слой вещества экспоненциально зависит от толщины слоя и концентрации вещества.

Оптическая плотность вычисляется как десятичный логарифм отношения интенсивностей света до образца и после образца:

Измеряя оптическую плотность раствора при определённых длинах волн можно определить концентрацию поглотителя в растворе. Также возможно построение спектра поглощения в определённом диапазоне длин волн, затем этот спектр можно использовать при качественном анализе состояния системы, конформационные переходы и химические превращения часто отражаются на форме спектра поглощения.

Спектрофотометрические методы часто делятся по диапазону используемых длин волн. Область спектрофотометрии в видимом диапазоне длин волн называют колориметрией.

Спектральное положение линии определяется разницей энергии состояний, между которыми осуществляется переход.  Здесь они расположены в порядке уменьшения энергии. Энергиям электронных переходов соответствуют области спектра высоких энергий и высокой частоты, спектр поглощения энергии на увеличение колебательного и вращательного движения расположен в области с низкими частотами и низкой энергией.

Ширина спектральных линий определяется естественным уширением по причине грубости фиксирующих приборов. Также большую роль играют взаимодействия с другими частицами, доплеровское смещение частот за счёт теплового движения и изменение спектров за счёт межмолекулярных взаимодействий.

38.    Спектроскопические методы в биофизике. Их физические основы, задачи спектроскопии, классификация спектроскопических методов.

Спектроскопия – это область физики исследующая распределение электромагнитного излучения по длинам волн или частотам.

В наиболее общем случае все спектроскопические методы основаны на анализе интенсивности реакции вещества на воздействие определённой интенсивности и частоты. Этим воздействием могут являться ЭМ волны, магнитное поле, γ-лучи.

Атомы и молекулы имеют дискретные энергетические уровни. Если на вещество падает ЭМ волна, то энергия, равная разнице энергии перехода между энергетическими уровнями может поглощаться. При этом происходит снижение интенсивности излучения. Этот переход осуществляется с разной вероятностью при разных длинах волн.

Интенсивность поглощения, по закону Бугера-Ламберта-Бэра:

В этом соотношении интенсивность света, прошедшего через слой вещества экспоненциально зависит от толщины слоя и концентрации вещества.

Эта зависимость используется в спектрофотометрических методах.

В качестве воздействия может использоваться переменное магнитное поле высокой частоты, которое поглощается ядрами или электронами в постоянном магнитном поле. На этом основаны методы ЯМР и ЭПР.

γ-лучи используются в методе мессбауэровской спектроскопии, так как они могут поглощаться тяжёлыми атомами металлов.

Свойства спектральной линии.

Интенсивность определяется количеством поглотителя в исследуемом объекте.

Спектральное положение линии определяется разницей энергии состояний, между которыми осуществляется переход.

Ширина спектральных линий определяется естественным уширением по причине грубости фиксирующих приборов. Также большую роль играют взаимодействия с другими частицами, доплеровское смещение частот за счёт теплового движения и изменение спектров за счёт межмолекулярных взаимодействий.

Методами спектроскопии возможно изучение химического состава объектов, количественный анализ, а также структурный анализ, так как изменение структуры вещества часто отражается на характере его спектра.

39.    Метод электронного парамагнитного резонанса. Физические принципы и применение в изучении биополимеров.

Если внести частицу в определённым магнитным моментом в постоянное магнитное поле, то магнитный момент выстроится вдоль направления магнитного поля и будет прецессировать с частотой

Электрон имеет спин ½, его энергетический уровень расщепляется на два, что соответствует переходу между спинами. В большинстве органических соединений спины электронов скомпенсированы и ЭПР не наблюдается. ЭПР наблюдается только у свободных радикалов и молекул с нечётным числом электронов, при этом, проявляются характеристические спектры, зависящие от электронного строения системы.

ЭПР используется при изучении реакций с участием свободных радикалов или белков, содержащих в качестве кофакторов атомы металлов с нескомпенсированным спином.

Также широко используется приём присоединения к исследуемым молекулам спиновых метоков и эффект Мессбауэра как анализатор.структуры атома, окружающих групп и характера цессии частицы, и частицы с чь слабым переменным магнитным полем, направленным перпендикулярно опорному полю, то при совпаде – свободных радикалов, содержащих неспаренный электрон. ЭПР спектр спин-метки зависит от её электронного окружения, конформации молекулы, к которой она присоединена.

40.    Метод ядерного магнитного резонанса. Физические принципы и применение в изучении биополимеров.

Если внести частицу в определённым магнитным моментом в постоянное магнитное поле, то магнитный момент выстроится вдоль направления магнитного поля и будет прецессировать с частотой

Ядерный спин имеют атомы, у которых нечётно хотя бы одно атомное число, массовое или порядковое. Ядерный спин равен нулю у  и не равен нулю у

При включении магнитного поля для протона возникают два уровня, соответствующие параллельному и антипараллельному направлениям спина. Частоту переменного поля увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен, а интенсивность поглощения записывают. В результате получается спектр поглощения, который подвергается анализу. Сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра, а интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов. Таким образом, можно получить количественные и качественные характеристики образца.

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения. Это позволяет определить структуру окружения атомов и структуру самого вещества.

Используют также приёмы обогащения образцов контрастирующими метками, наблюдения процессов включения метки в состав объекта. Важным свойством метода является возможность его использования на живых биологических объектах.

Существует два метода ЯМР: метод постоянного поля и импульсный метод.

Частным случаем применения ЯМР является метод томографии или ЯМР-интроскопии, применяемый в-основном в медицине.

41.    Метод мессбауэровской спектроскопии. Его физические принципы и использование в изучении биополимеров.

Этот метод основан на эффекте Мессбауэра, который заключается в поглощении атомным ядром монохроматического γ-излучения, испускаемого радиоактивным атомом. Образец подвергается действию γ-лучей, излучаемых радиоактивным железом

Если сообщить источнику некоторую скорость движения относительно образца, то можно изменить частоту излучаемого γ-кванта за счёт эффекта Доплера. При некотором значении частоты, ядра образца будут поглощать γ-кванты, переходя в возбуждённое состояние. Метод используется при анализе свойств Fe-содержащих групп в белках. При этом, резонансная частота атома железа в группе сильно зависит от электронной структуры атома, окружающих групп и характера их взаимодействий. Эффект поглощения излучения усиливают путём обогащения образца изотопами железа, повышая, например, их содержание в пище подопытных животных. Также возможно применение γ-излучающих изотопов в качестве меченых атомов и эффект Мессбауэра как анализатор.

42.    Использование поляризованного света в изучении биополимеров.

Поляризованный свет содержит только электромагнитные волны с одной плоскостью колебания.

Свет может быть плоскополяризован ( обе фазы лежат в одной плоскости) или поляризован по кругу ( фазы взаимно перпендикулярны).

Если взять 2 когерентные волны одинаковой амплитуды поляризованных по кругу и пропустить их через оптически активную среду, возможны разные эффекты:

1.   Разное поглощение компонент. При разной степени поглощения право- и левополяризованных лучей – круговой дихроизм. Круговым дихроизмом обладают многие вещества обладающие свойствами жидких кристаллов, биологические полимеры.

2.   Если при прохождении вещества правая и левая компоненты имеют разную скорость, то происходит круговое двулучепреломление. Это может быть связано с тем, что показатели преломления среды для право- и левополяризованной компоненты будут различны, будет происходить фазовый сдвиг компонентов и волны на выходе не будут когерентны.

3.   Оптическое вращение (правое и левое) – есть поворот плоскостей поляризации при постоянной сумме этих компонентов. Эффектом оптического вращения обладают оптические изомеры молекул. При этом L и D изомеры поворачивают плоскость поляризации в разные стороны, но на один и тот же угол. Рацемические смеси не обладают свойством оптического вращения. Также этим свойством обладают α и β-структуры белков.

43.    Рентгеноструктурный анализ. Его физические принципы и использование при изучении биополимеров.

Рентгенография даёт прямую информацию о расположении атомов в молекулах и кристаллах. Рентгеновские лучи с длинами волн порядка 0,1нм рассеиваются электронными оболочками атомов. Дальнейшая интерференция этих волн приводит к возникновению дифракционной картины. Дифракция наблюдается, если рассеянные волны находятся в фазе, т.е. разность ходя равна целому числу волн. Условие дифракции даётся формулой Брэгга-Вульфа:  и зависит от расстояния между кристаллическими плоскостями и угла падения луча. Рентгеноструктурный анализ заключается в определении расстояний между атомами на основании дифракционной картины.

Для рентгеноструктурного анализа необходимо сначала получить исследуемое вещество в кристаллической форме. Анализ рентгенограмм биологических молекул наиболее сложен, так как их кристаллические решётки имеют большое число отражающих плоскостей. Дифракционная картина представляет собой распределение интенсивности, по которому можно определить распределение электронной плотности объекта. Окончательным результатом рентгенографического исследования является пространственная модель, в которой определены положения всех атомов.

При анализе фибриллярных биополимеров получаются рентгенограммы, на которых дифракционные пятна располагаются преимущественно вдоль одной оси. Осевая структура рентгенограммы указывает на наличие одномерно упорядоченной системы. При анализе длинных цепных полимеров необходимо учитывать, что молекулы в кристалле могут находится в разной степени упорядоченности. В этом случае строят модель исследуемой системы, рассчитывают распределение интенсивностей рефлексов, а затем по совпадению модели с опытными данными судят об истинности модели. Таким способом была установлена пространственная модель ДНК.

44.    Плазматическая мембрана. Её строение согласно жидкостно-мозаичной модели. Липиды плазматической мембраны. Их характеристика. Физические механизмы формирования бислоя липидов. Общие принципы пространственной организации липидного бислоя.

Плазматическая мембрана – это динамическая организованная система, состоящая из двойного слоя липидов, белков и небольшого количества углеводов, связанных с липидами и белками. Согласно жидкостно-мозаичной модели, в двойной слой липидов погружены молекулы белков, разделяемые, по степени погружения в бислой, на поверхностные, погружённые и интегральные. Поверхностные белки гидрофильны, а погружённые и интегральные имеют определённые гидрофобные домены, обеспечивающие их встраивание в липидный слой. По составу белков слои мембраны асимметричны.

Среди липидов мембраны выделяют фосфолипиды, гликолипиды и стероиды.

Фосфолипиды подразделяются на глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды.

Фосфолипиды представляют основную часть липидов мембран.

Фосфотидилэтаноламин: R = NH₃-(CH₂)₂-PO₃-

Фосфотидилхолин: R = ⁺N(CH₃)₃-PO₃-

Церамид: R = H

Сфингомиелин: R = ⁺N(CH₃)₃-(CH₂)₂-PO₃-

Свойства липидов зависят от жирных кислот, входящих в их состав. В частности, важную роль играет количество ненасыщенных связей в цепи ЖК. От степени ненасыщенности зависит температура плавления липидов, чем более ненасыщенны ЖК липида, тем ниже температура плавления. Также, чем больше ненасыщенность связей, тем меньше плотность упаковки мембраны и больше проницаемость мембраны.

Гликолипиды – это липиды, содержащие углеводную цепь. Наиболее распространены гликосфинголипиды. Их роль в предотвращении слипания клеток, за счёт наличия электростатического отталкивания между отрицательно заряженными углеводными группами.

Стероиды сосредоточены в гидрофобной части липидного бислоя. Главная их функция в заполнении пустот между неполярными хвостами липидов, что уменьшает текучесть и стабилизирует мембрану, снижает её пассивную проницаемость.

Общие принципы организации бислоя:

Неполярные хвосты липидов направлены внутрь мембраны и высокоупорядочены.

Полярные головки липидов расположены в плоскости мембраны и могут образовывать водородные связи.

Ацильные цепи расположены под некоторым углом к полярным головкам.

Связи в ацильных цепях могут находиться в различных пространственных конформациях. Для насыщенных связей наиболее устойчива транс-конформация, а для ненасыщенных связей – цис-конформация. От конформации будет зависеть общее направление ацильной цепи. Возможно формирование гош-конформации – поворот вокруг насыщенной связи на 180° - это приводит к формированию в мембране кинков или петель, что снижает плотность упаковки. В мембране часто находятся кинк-блоки – большое количество липидов, находящихся в одинаковой гош-конформации.

45.    Фазовые переходы в биологических мембранах. Их характеристика и функциональное значение.

Липидная мембрана представляет собой динамическую структуру, строение бислоя может меняться в течении жизни или при изменении физических условий. Фазовые переходы мембраны происходят между двумя состояниями: Гель и Жидкий кристалл.

1.   Гель:

·        Все Ацильные цепи полностью имеют транс-конформацию и вытянуты параллельно друг другу.

·        Толщина мембраны больше.

·        Площадь, приходящаяся на 1 молекулу меньше.

·        Мембрана в целом более компактна.

2.   Жидкий Кристалл:

·        Часто встречаются транс-гош-переходы, кинки.

·        Толщина мембраны меньше.

·        Площадь, приходящаяся на 1 молекулу больше.

·        Упорядоченность и компактность меньше, Энтропия системы больше.

Переход между этими двумя фазами является переходом 1 рода.

В матриксе одной фазы может существовать большое количество микроскопических доменов другой фазы.

Фазовые переходы происходят при определённой температуре, зависящей от состава липидов.

При фазовом переходе может происходить увеличение пассивной проводимости мембраны, связанное с образованием каналов на границе участков мембраны, имеющих разное фазовое состояние. Этот процесс лежит в основе терморецепции и хеморецепции.

46.    Свободнорадикальное окисление в биологических мембранах. Характеристика процесса и его значение для клетки.

Свободнорадикальное окисление связано с образованием радикалов жирных кислот под действием активных форм кислорода и перекиси. Образование активных форм кислорода начинается с присоединения электрона к молекуле кислорода.

При этом может образовываться супероксид-ион, перекись и гидроксильный радикал.

Эти формы являются очень реакционноспособными и вступают во взаимодействие практически с любыми веществами.

Возможно присоединение перекиси по двойной связи жирных кислот липидов. Это приводит к образованию липидных перекисей, которые в свою очередь также являются высокоактивными соединениями. В результате они взаимодействуют друг с другом с образованием поперечных сшивок между липидными молекулами. Этот процесс приводит к увеличению количества упорядоченных молекул с ограниченной подвижностью, повышается проницаемость мембраны.

Для ликвидации действия АФК в клетке работают антиоксидантные системы: Супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза и системы, направленные на дезактивацию синглетного кислорода: α-токоферол, β-каротин.

47.    Транспорт веществ через мембраны. Термодинамическая характеристика процесса. Ионное равновесие в мембранных системах. Уравнение Нернста для равновесного потенциала.

Транспорт веществ через мембраны подразделяется на активный и пассивный. Пассивный транспорт всегда идёт по градиенту электрохимического потенциала до тех пор, пока разность потенциалов не будет равна нулю. Активный транспорт идёт против градиента потенциала, приводит к росту мембранного потенциала и использует внешние источники энергии. Химический потенциал – это величина, численно равная энергии Гиббса для 1 моль вещества при постоянных давлении и температуре. Электрохимический потенциал учитывает заряд частиц, помещённых в постоянное электрическое поле.

В условиях равновесия, электрохимические потенциалы двух растворов равны:

Из этого соотношения можно получить формулу Нернста для равновесного потенциала:

В дальнейшем, Ходжкин вывел формулу для потенциала, создаваемого несколькими ионами:

48.    Электродиффузионная теория пассивного транспорта. Уравнение Нернста-Планка. Его вывод и решение.

Поток вещества через мембрану подчиняется уравнению Теорелла:

Подставив сюда уравнение для электрохимического потенциала получаем:

Последнее выражение и есть уравнение Нернста-Планка, оно показывает две причины переноса веществ через мембрану: градиент концентрации и градиент электрического потенциала.

Подход Планка-Гендельсона предполагал электронейтральность мембраны и равенство концентраций катионов и анионов по разные стороны мембраны. Следовательно, равенство потоков катионов и анионов, тогда

Гольдман предположил линейность электрохимического потенциала в толще мембраны:

Тогда решение уравнения для концентраций иона на краях мембраны будет таким:

Ходжкин в дальнейшем предположил, что концентрации ионов на краях мембраны пропорциональны концентрациям в соответствующих растворах.

Тогда Уравнение Гольдмана преобразуется

49.    Пассивный транспорт неполярных веществ. Уравнение Нернста-Планка для транспорта неполярных веществ. Закон Фика. Механизмы транспорта неполярных соединений.

Уравнение Нернста-Планка показывает две причины переноса веществ через мембрану: градиент концентрации и градиент электрического потенциала. Для неполярных веществ(z=0) формула сводится к закону диффузии Фика:

Закон диффузии Фика показывает, что транспорт неполярных молекул зависит только от проницаемости молекул, что выражается в коэффициенте диффузии, и пропорционален разности концентраций.

Существует три механизма пассивного транспорта неполярных веществ: простая диффузия, облегчённая диффузия и фильтрация.

Простая диффузия неполярных веществ не требует наличия специальных структур и зависит только от растворимости в липидах – липофильности – и от вязкости мембраны.

Облегчённая диффузия для неполярных веществ происходит с участием специальных переносчиков. Этот перенос может происходить в симпорте или антипорте с другими веществами.

Транспорт через поры или каналы – специальные мембранные структуры, транспорт через которые зависит только от градиента концентрации. Каналы являются регулируемыми структурами.

В то же время возможен и активный транспорт неполярных веществ против градиента их концентрации.

50.    Уравнение Гольдмана. Его вывод и физический смысл. Понятие проницаемости и проводимости мембраны.

Уравнение Нернста-Планка показывает две причины переноса веществ через мембрану: градиент концентрации и градиент электрического потенциала.

Гольдман предположил линейность электрохимического потенциала в толще мембраны:

Тогда решение уравнения для концентраций иона на краях мембраны будет таким:

Ходжкин в дальнейшем предположил, что концентрации ионов на краях мембраны пропорциональны концентрациям в соответствующих растворах.

Тогда Уравнение Гольдмана преобразуется

51.    Классификация транспорта веществ через мембраны. Термодинамическая и биологическая характеристика отдельных видов транспорта.

В первую очередь транспорт веществ через мембраны подразделяется на активный и пассивный.

Пассивный транспорт: Простая диффузия, облегчённая диффузия и фильтрация.

Активный транспорт: Первично активный и вторично активный транспорт.

Отдельным типом транспорта является везикулярный транспорт.

1.   Простая диффузия. Простая диффузия неэлектролитов не требует наличия каких-либо специализированных структур, зависит только от липофильности и градиента концентрации. В общем случае диффузия зависит от размеров частицы: Вероятность диффузии крупных молекул через мембрану ниже. Простая диффузия электролитов затруднена наличием мембранного потенциала и гидрофильностью, поэтому диффузия электролитов требует участия специальных селективных каналов в мембране. Электролиты играют важную роль в жизнедеятельности клетки и транспорт электролитов может регулироваться изменением проницаемости каналов.

2.   Облегчённая диффузия. Осуществляется с участием специализированных переносчиков. Перенос осуществляется значительно быстрее, чем простая диффузия. С её помощью осуществляется перенос аминокислот, моносахаридов, некоторых ионов.

3.   Фильтрация осуществляется через специальные образования в мембране – поры, через которые может происходить неспецифический транспорт растворов. Фильтрация происходит по градиенту гидростатического давления и зависит от вязкости раствора и размеров поры.

4.   Первично активный транспорт. Всегда сопряжён с использованием энергии АТФ и транспортирует вещества против градиента концентрации. Транспортеры очень специфичны относительно переносимых частиц и могут регулироваться.

5.   Вторично активный транспорт. Является частным случаем облегчённой диффузии, но при этом транспорт одного вещества против градиента концентрации сопряжён с транспортом другого вещества по градиенту концентрации. Возможны два случая: симпорт и антипорт, в зависимости от направления транспорта.

6.   Везикулярный транспорт. Осуществляется транспорт в замкнутых мембранах. Транспорт обеспечивается слиянием и разделением мембранных везикул, частным случаем являются процессы фагоцитоза и пиноцитоза. Это единственный способ транспорта крупных, состоящих из большого числа молекул, частиц.

52.    Ионный транспорт через каналы. Основные свойства ионных каналов. Общий план строения ионного канала. Физические принципы работы ионного канала.

Ионные каналы – интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрации ионов по обе стороны мембраны (трансмембранный ионный градиент).

Неселективные каналы обладают следующими свойствами:

•  пропускают все типы ионов, но проницаемость для ионов K+ значительно выше, чем для других ионов;

•  всегда находятся в открытом состоянии.

Селективные каналы обладают следующими свойствами:

•  пропускают только один вид ионов; для каждого вида ионов существует свой вид каналов;

•  могут находиться в одном из 3 состояний: закрытом, активированном, инактивированном.

Избирательная проницаемость селективного канала обеспечивается селективным фильтром, который образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода, которое находится в самом узком месте канала.

Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма, который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, так называемые активационные ворота и инактивационные ворота, изменяя свою конформацию, могут перекрывать ионный канал.

Для потенциалзависимого канала, в состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня МП канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.

В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:

·        хемочувствительные – регуляция лигандом;

·        потенциалзависимые – регуляция мембранным потенциалом;

·        механочувствительные – реагируют на деформацию мембраны.

53.    Регуляция работы ионных каналов. Механизмы регуляции. Фармакологическая блокада ионных каналов.

Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма, который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, так называемые активационные ворота и инактивационные ворота, изменяя свою конформацию, могут перекрывать ионный канал.

Для потенциалзависимого канала, в состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня МП канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.

В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:

·        хемочувствительные – регуляция лигандом;

·        потенциалзависимые – регуляция мембранным потенциалом;

·        механочувствительные – реагируют на деформацию мембраны.

Наряду с этим, существуют механизмы блокады каналов. Эти механизмы условно подразделяются на естественные и искусственные.

В естественных условиях блокада может происходить связыванием блокирующего агента в просвете канала или аллостерическим связыванием агента, что вызывает стабилизацию закрытого состояния канала.

Возможна также искусственная блокада каналов. Ингибиторами натриевых каналов являются тетродотоксин, сакситоксин – неконкурентно связываются в просвете канала. Местные анастетики, новокаин, конкурентно связываются и не действуют в кислой среде, вытесняясь протонами. Стрихнин является аллостерическим блокатором натриевых каналов.

Тетраэтиламмоний является неконкурентным ингибитором калиевых каналов.

54.    Облегчённая диффузия. Характеристика процесса.

Облегчённая диффузия – это механизм пассивного транспорта с участием с участием специфических переносчиков. Перенос происходит во много раз быстрее, чем простая диффузия.

Перенос облегчённой диффузией одного вещества по градиенту концентрации может быть сопряжён с вторично активным транспортом другого вещества против его градиента концентрации.

Перенос может осуществляться разными механизмами:

1.   Миграционный – происходит перемещение переносчика внутри мембраны от одной её поверхности до другой. При этом переносчик может оставаться в плоскости мембраны и присоединять вещество только на поверхностях мембраны, а может выходить за пределы мембраны и присоединять вещество в растворе. Механизмы малой и большой карусели.

2.   Ротационный – происходит поворот молекулы переносчика вокруг своей оси, лежащей в плоскости мембраны.

3.   Сдвиговый – происходит изменение конформации переносчика, полный поворот молекулы переносчика не происходит, отдельные группы закреплены в липидном слое.

Переносчики обладают высокой специфичностью по отношению к переносимым веществам.

Скорость облегчённой диффузии обладает свойством насыщения, оно происходит, когда все молекулы переносчика будут заняты.

55.    Мембранный потенциал покоя. Его механизмы. Расчёт величины мембранного потенциала.

Мембранный потенциал покоя образуется главным образом благодаря выходу К+ из клетки через неселективные ионные каналы. Утечка из клетки положительно заряженных ионов приводит к тому, что внутренняя поверхность мембраны клетки заряжается отрицательно относительно наружной.

Мембранный потенциал, возникающий в результате утечки К+ , называют «равновесным калиевым потенциалом» (Ек). Его можно рассчитать по равнению Нернста

ПП, как правило, очень близок к Ек, но не точно равен ему. Эта разница объясняется тем, что свой вклад в формирование ПП вносят:

•  поступление в клетку Na⁺ и Cl^– через неселективные ионные каналы; при этом поступление в клетку Cl^– дополнительно гиперполяризует мембрану, а поступление Na⁺ – дополнительно деполяризует ее; вклад этих ионов в формирование ПП невелик, так как проницаемость неселективных каналов для Cl^– и Na⁺ в 2,5 и 25 раза ниже, чем для К⁺.

•  прямой электрогенный эффект Na⁺/К⁺ ионного насоса, возникающий в том случае, если ионный насос работает асимметрично (На 2 иона, поступающих в клетку K+ приходится 3 иона Na+, выносимых во внешнюю среду).

Расчёт величины ПП можно произвести и с учётом этих влияний. Влияния других ионов и электрогенного эффекта учитывается в формуле Томаса:

m – коэффициент электрогенности.

Если принять средние концентрации ионов и проводимости мембраны:

Тогда величина потенциала покоя получается порядка -60-70мВ.

56.    Мембранный потенциал действия. Механизмы и общие свойства мембранного потенциала действия. Расчёт величины мембранного потенциала действия.

Потенциал действия развивается на мембране в результате её возбуждения и сопровождается резким изменением мембранного потенциала.

В потенциале действия выделяют несколько фаз:

•  фаза деполяризации;

•  фаза быстрой реполяризации;

•  фаза медленной реполяризации (отрицательный следовый потенциал);

•  фаза гиперполяризации (положительный следовый потенциал).

Фаза деполяризации. Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. При деполяризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации (КУД) происходит лавинообразное открытие потенциалчувствительных Na⁺-каналов. Положительно заряженные ионы Na+ входят в клетку по градиенту концентрации (натриевый ток), в результате чего мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.

Фаза быстрой и медленной реполяризации. В результате деполяризации мембраны происходит открытие потенциалчувствительных К⁺-каналов. Положительно заряженные ионы К⁺ выходят из клетки по градиенту концентрации (калиевый ток), что приводит к восстановлению потенциала мембраны. В начале фазы интенсивность калиевого тока высока и реполяризация происходит быстро, к концу фазы интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется.

Фаза гиперполяризации развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na+/K+ помпы.

Изменение величины мембранного потенциала во время развития потенциала действия связано в первую очередь с изменением проницаемости мембраны для ионов натрия и калия. Расчёт мембранного потенциала можно произвести по уравнению Нернста для равновесного потенциала.

В фазу деполяризации происходит резкое изменение проницаемости для натрия:

В состоянии покоя:

В фазу деполяризации:

Проводимость мембраны для ионов натрия возрастает в 500 раз за счёт открытия специфических натриевых каналов. Происходит скачок мембранного потенциала от -60-70мВ до +40+50мВ.

Одним из главных свойств ПД является его способность распространяться вдоль мембраны без затухания. Это лежит в основе нервного проведения импульса.

57.    Модель Ходжкина-Хаксли. Её характеристика и значение для биофизики клетки.

Модель предполагает:

·        Изменение токов, текущих через мембрану и мембранного потенциала является следствием изменения проницаемости мембраны для натрия и калия.

·        Перенос натрия и калия осуществляется различными не взаимодействующими структурами.

·        Пропускная способность мембраны управляется электрическим полем. Во внутренней структуре мембраны присутствуют заряженные частицы, управляющие её проводимостью.

Суммарный ток через мембрану представили как сумму емкостного тока и ионных токов:

Было высказано предположение, что калий может проходить через мембрану, если к каналу одновременно подойдут 4 однозаряженных частицы. Эта вероятность была представлена, как

Для натрия проведение возможно при присоединении трёх активирующих частиц m и отсоединения одной блокирующей h.

При возрастании положительного мембранного потенциала изменяются коэффициенты α и β. Этот механизм лежит в основе потенциалзависимого переноса натрия и калия во время формирования ПД.

Модель Ходжкина-Хаксли даёт хорошее согласие с опытными данными и может быть использована для моделирования электрических процессов в мембране.

58.    Молекулярные механизмы сопряжения окисления и фосфорилирования.

Сопряжение окисления и фосфорилирования – это механизм, благодаря которому происходит преобразование энергии электрохимического градиента в энергию химических связей АТФ.

Формирование трансмембранного градиента протонов обеспечивается работой электрон-транспортной цепи. Преобразование этого градиента протонов в энергию макроэргических связей АТФ обеспечивается работой АТФ-синтазного комплекса.

АТФ-синтазный комплекс состоит из трансмембранного комплекса F₀, образующего канал в мембране, и комплекса F₁, располагающегося вне мембраны. F₁ состоит из нескольких субъединиц: 3α, 3β, γ, δ и ε. α и β субъединицы могут вращаться вокруг γ-субъединицы, δ и ε служат для прикрепления к комплексу F₀.

Невозможность образования макроэргической связи обусловлена наличием избыточной электронной плотности на атомах кислорода фосфатных остатков. β-субъединица оттягивает электронную плотность от атома кислорода, а в процессе вращения комплекса происходит сближение фосфата и АДФ, что облегчает образование связи. Вращение комплекса обусловлено конформационными изменениями при протонировании АК остатков протонами, проходящими через канал комплекса F₀. На каждые 2 проходящих протона синтезируется одна молекула АТФ. Суть работы АТФ-синтазного комплекса заключается в преодолении потенциального барьера реакции образования макроэргической связи АТФ.

59.    Молекулярные механизмы активного транспорта.

Основные особенности первично активного транспорта:

1.   Осуществляется против концентрационного градиента.

2.   Система первичного транспорта очень специфична.

3.   Для его обеспечения необходима АТФ или другие источники энергии.

4.   Обменивает один вид ионов на другой (К/Na насос).

5.   Активный транспорт с помощью ионных насосов избирательно подавляется блокирующими агентами.

Механизм вторично активного транспорта заключается в переносе веществ через мембрану против концентрационного градиента, обеспечиваемом энергией, которая высвобождается при переносе другого вещества по градиенту. В отличие от первично активного транспорта, энергия для которого высвобождается при гидролизе АТФ.

Механизм работы K/Na-АТФазы.

Фермент состоит из двух субъединиц, закреплённых в мембране. Для закрепления необходимы фосфолипиды, при их отсутствии прекращается АТФазная активность фермента.

1.   На первом этапе фермент расположен у внутренней стороны мембраны, где происходит его фосфорилирование и присоединение иона Na⁺. Происходит расщепление АТФ. Это приводит к изменению конформации белка и перемещению его к наружной стороне мембраны. Энергия для этого процесса берётся от расщепления АТФ.

2.   Изменение приводит к тому, что новая конформация имеет низкое сродство к Na⁺ и высокое сродство к K⁺. При этом, на внешней стороне мембраны выделяется натрий и присоединяется калий. Это в свою очередь приводит к новому изменению конформации и возвращению K/Na-АТФазы к внутренней стороне мембраны.

3.   На внутренней стороне мембраны происходит отщепление АДФ и фосфата, фермент снова готов к новому циклу работы.

Энергия АТФ используется для осуществления переходов между конформациями, имеющими разное сродство к Na⁺ и K⁺. За каждый цикл работы переносится 2 иона калия и 3 иона натрия.

60.    Молекулярная организация сократительного аппарата миофибрилл.

В сократительном аппарате миофибриллы выделяют тонкие и толстые нити. Тонкие нити состоят из глобулярного белка актина и проходят через Z-диски, на каждые 7 молекул актина приходится две молекулы тропомиозина, расположенных в каждой продольной борозде двойной спирали актина. Также в состав тонких нитей входит тропонин, соединённый с молекулами тропомиозина. Толстые нити состоят из фибриллярного белка миозина. Сам миозин в свою очередь состоит из лёгкого меромиозина, образующего продольную часть молекулы, и тяжёлого меромиозина, образующего головку миозина. Каждая нить миозина состоит из 180-360 молекул миозина, соединённых частями лёгкого меромиозина. Головки миозина – суперспирализованные участки тяжёлого меромиозина - выступают с определённой периодичностью на обоих концах нити и в процессе сокращения контактируют с нитями актина.

61.    Мостиковая гипотеза мышечного сокращения. Рабочий цикл мостика, его этапы. Механизмы механохимического сопряжения в сократительном аппарате.

Мостиковая гипотеза мышечного сокращения заключается в том, что сокращение миофибрилл обеспечивается циклической работой головок миозина, образующих мостики с актином и продвигающих нити актина друг навстречу другу.

Рабочий цикл мостика:

1.   Головка миозина соединена с нитью актина. Головка имеет высокое сродство к АТФ.

2.   К головке миозина присоединяется молекула АТФ. Это приводит к изменению конформации головки и нарушению стереоспецифического соответствия между контактирующими участками актина и миозина.

3.   Головка миозина теряет связь с актином и приобретает АТФ-азную активность.

4.   Происходит гидролиз АТФ на свободном миозине и изменение конформации головки. Энергия гидролиза АТФ запасается  в виде механической потенциальной энергии деформации головки миозина. В то же время головка приобретает сродство к актину.

5.   Головка миозина присоединяется к одной из глобул актина перпендикулярно оси нити и поворачивается на угол 45°, проталкивая актиновую нить в направлении от Z-мембраны. Соединение с актиновой нитью обеспечивается сначала слабым электростатическим взаимодействием, а затем сильным стереоспецифичным взаимодействием. Изменение конформации и высвобождение накопленной потенциальной энергии происходит при отсоединении продуктов гидролиза АТФ. Система возвращается к минимуму свободной энергии.

62.    Механика и энергетика мышечного сокращения.

Механика мышечного сокращения изучалась Хиллом. В процессе сокращения мышца может работать в двух режимах: Изометрический режим – мышца развивает силу при постоянной длине, Изотонический режим – мышца укорачивается при постоянной нагрузке. При изотоническом сокращении укорочение убывает с ростом груза, и его максимум достигается тем раньше, чем больше этот груз. Развитие изометрического напряжения следует той же зависимости.

Хилл эмпирически установил зависимость скорости изотонического сокращения от нагрузки.

Эта зависимость имеет гиперболическую форму и справедлива при постоянных скоростях сокращения и при физиологических длинах мышцы. P₀ зависит от длины саркомера в мышечном волокне и максимальна в области 1,7-2,5мкм, когда существует возможность образования максимального числа мостиков между актином и миозином. Работа, производимая мышцей при сокращении, будет равна, по уравнению Хилла.

Эта функция имеет колоколообразную форму от 0 до P₀ с максимумом при P≈0,31 P₀, что соответствует оптимальной нагрузке мышцы.

Одновременно с совершением работы, мышца выделяет тепло. Тепло выделяется как при изотоническом сокращении, так и при изометрическом напряжении и при растяжении мышцы под действием внешней силы. На раннем этапе сокращения выделяется теплота активации Q_a, связанная с выделением Ca²⁺ в саркоплазму, а по мере сокращения мышцы выделяется теплота сокращения Q_c в результате взаимодействия тонких и толстых нитей. Общее изменение энергии в системе таким образом равно:

Эффект Фенна: полная энергия, выделяемая мышцей при одиночном сокращении больше, чем при изометрическом сокращении. Во время сокращения происходит выделение экстратеплоты за счёт укорочения мышцы, скорость её выделения пропорциональна скорости укорочения.

Механическая эффективность мышцы определяется как отношение работы к израсходованной энергии.

Эффективность может достигать 45% у мышц лягушки и 75% для мышц человека.

63.    Миграция энергии и электронов в биологических структурах.

Под миграцией энергии понимают безызлучательный перенос энергии или электронов между молекулами, находящимися в основном состоянии или между отдельными частями одной молекулы. Возможность переноса электронов обеспечивается наличием коллективизированных π-электронных облаков. Выделяют три механизма миграции энергии:

1.   Индуктивно-резонансный.

Происходит миграция энергии по синглетным уровням. Возбуждённым электроном донора генерируется переменное магнитное поле, которое взаимодействует с электроном акцептора. Если частота переменного поля совпадает с частотой перехода электрона донора на возбуждённый уровень, происходит перенос энергии. Такой механизм имеет место при небольших энергиях взаимодействия, но перенос может происходить на большие расстояния.

2.   Обменно-резонансный.

В этом случае происходит обмен электронами триплетных уровней. Для осуществления такого обмена необходимо частичное перекрывание электронных облаков донора и акцептора.

3.   Экситонный механизм.

Этот механизм имеет место при больших энергиях взаимодействия. При этом возбуждение передаётся с донора на акцептор раньше релаксации самого донора. При этом может произойти передача сразу на несколько молекул-доноров. Эта область передачи возбуждения называется экситон.

Перенос электрона между взаимодействующими группами происходит по туннельному механизму и сопряжён с изменением конформации молекул.

64.    Фотобиологические процессы. Их значение для живой материи. Классификация фотобиологических процессов. Общие закономерности фотобиологических процессов.

Свет выполняет две важных функции в живых системах: Энергетическую – обеспечение живых систем энергией от Солнца, и информационную – обеспечение взаимодействия живых систем с окружающей средой.

По характеру использования энергии света все процессы делятся на эндэргонические – при которых энергия света превращается в энергию химических связей с высоким запасом свободной энергии, и экзэргонические – при которых большая часть энергии рассеивается в тепло, а часть энергии используется для преодоления активационного барьера.

По значению процессы делятся на: физиологические – аккумуляция энергии, реакции синтеза, активного транспорта, фотоинформационные и фоторегуляционные процессы; деструктивно-модификационные – повреждение и модификация молекул биологического объекта.

Все фотобиологические процессы протекают по общей схеме:

1.   Поглощение света молекулой.

Не все молекулы поглощают свет, поглощается свет не любой длины волны и не всеми атомными группами молекулы. Атомные группы, поглощающие свет определённой длины волны – хромофорные группы. Наиболее хорошо поглощают свет группы с делокализованными π-электронами в длинных цепях сопряжения. Эти электроны могут легко переходить на более высокие энергетические уровни. Процесс релаксации делокализованных электронов наиболее долгий.  После поглощения кванта света хромофорная группа переходит на более высокое энергетическое состояние.

2.   Дезактивация возбуждённого состояния.

·        Внутримолекулярная инверсия. Молекула может вернуться на более низкий энергетический уровень с излучением теплоты или теплоты и флуоресценции.

·        Фотохимическая реакция. Уровень энергии возбуждённого состояния превышает энергетический барьер разрыва химических связей, это приводит к протеканию химической реакции.

·        Миграция энергии и Конформационные превращения. При этом может происходить миграция энергии к другим атомным группам или молекулам, что сопровождается изменениями конформации.

3.   Проявление специфического фотобиологического эффекта. Например, перенос протона, регуляторный акт, изменение проницаемости мембран, биосинтез.

65.    Фотопревращения бактериородопсина. Их характеристика.

Бактериородопсин – пигмент пурпурных мембран галофильных бактерий. Он создаёт трансмембранный градиент протонов за счёт энергии света, далее этот градиент используется для синтеза АТФ.

Бактериородопсин состоит из хромофорной группы ретиналя, присоединённой к Лиз-216 белковой группы опсина.

До поглощения кванта света ретиналь находится у наружной поверхности мембраны, протон электростатически связан с асп-85. При поглощении кванта света, ретиналь переходит в возбуждённое состояние, происходит его цис-транс изомеризация, протон остаётся на асп-85 и затем выделяется на поверхность мембраны. В новом положении ретиналь контактирует с асп-86 у внутренней поверхности мембраны, забирает протон от асп-86, что приводит к обратному изменению конформации. Асп-86 протонируется из внутренней среды.

Таким образом, цепь переноса:

Перенос протона бактериородопсином обеспечивается изменением его конформации под действием света.

66.    Фотоинформационные и фоторегуляционные процессы.

Фотоинформационные процессы обеспечивают взаимодействие организма с окружающей средой. Фотоинформационные процессы имеют триггерный, нелинейный характер. Свет служит лишь сигналом, запускающим сложную цепь биохимических изменений, которые приводят к определённому биологическому эффекту.

При процессах зрительной рецепции принимают участие зрительные пигменты, главным из которых является родопсин. Родопсин содержится в мембранах дисковидных структур палочковых рецепторов сетчатки глаза. Родопсин состоит из ретиналя и опсина, но опсин отличается от такового бактерий.

1.   При поглощении кванта света ретиналем происходит его изомеризация и передача протона другим аминокислотам опсина.

2.   Опсин меняет свою конформацию и переходит в физиологически активное состояние.

3.   Активированный опсин фосфорилирует трансдуцин, вызывая его активацию при участии ГТФ. Активированный трансдуцин, в свою очередь, фосфорилирует фосфодиэстеразу, переводя её в активное состояние. Фосфодиэстераза катализирует процесс расщепления цГМФ. Этот этап ответственен за эффект усиления, так как одна активированная молекула фосфодиэстеразы может расщепить много тысяч молекул цГМФ.

4.   Снижение уровня цГМФ приводит к инактивации Na⁺ каналов в мембране. Происходит гиперполяризация мембраны, гиперполяризация распространяется электротонически к пресинаптической мембране и вызывает выделение медиатора.

5.   В темноте снова происходит регенерация родопсина.

Для фоторегуляторных процессов характерен практически тот же механизм. Во всех процессах обязательно наличие фотохрома, воспринимающего свет, цепи передачи и усиления сигнала и конечного акцептора, ответственного за реализацию эффекта. Конечным эффектом в фоторегуляторных процессах может быть изменение мембранной проницаемости для ионов или гормонов, передача возбуждения на ферменты с изменением их активности, или передача возбуждения на субстрат с последующей его модификацией.

67.    Фотодеструктивные процессы. Их общая характеристика. Фотосенсибилизация, её виды и механизмы. Основные типы фотодеструктивных изменений в биологических молекулах.

Фотодеструктивные процессы – это процессы нарушения свойств биологических молекул под действием света. Фотодеструктивные процессы напрямую индуцируются коротковолновым ультрафиолетом, который поглощается нуклеиновыми кислотами и белками. Длинноволновое УФ излучение и видимый свет практически не поглощается НК и белками, для реализации их деструктивного действия большую роль играют фотосенсибилизаторы.

1.   Фотосенсибилизация с участием O₂. Фотодинамические процессы.

·        Фотовозбуждённый сенсибилизатор вступает в RedOx реакцию с макромолекулами, в результате образуются реакционноспособные радикалы сенсибилизатора и молекулы биологического субстрата. Радикалы вступают в реакцию с кислородом.

·        А другом случае происходит перенос энергии от фотосенсибилизатора на кислород с образованием синглетного кислорода или супероксид-иона. АФК реагируют с биологическими молекулами и повреждают их.

2.   Фотосенсибилизация без участия O₂. Фотостатические процессы.

·        Возбуждённый фотосенсибилизатор взаимодействует с субстратом, вызывая его изменение, но не образует с субстратом постоянного соединения.

·        Возбуждённый фотосенсибилизатор образует устойчивое соединение с субстратом, нарушая его свойства.

К основным типам фотодеструктивных изменений относятся: образование или разрыв ковалентных связей (фотполимеризация, фотодимеризация, фотогидратация), фотоионизация, изменение конформации ферментов и их активности, образование перекисей, перекисное окисление липидов.

68.    Фотодеструктивные процессы. Их общая характеристика. Фотосенсибилизация, её виды и механизмы. Действие ультрафиолетового излучения на биологические мембраны. Механизмы повреждения и их последствия.

Фотодеструктивные процессы – это процессы нарушения свойств биологических молекул под действием света. Фотодеструктивные процессы напрямую индуцируются коротковолновым ультрафиолетом, который поглощается нуклеиновыми кислотами и белками. Длинноволновое УФ излучение и видимый свет практически не поглощается НК и белками, для реализации их деструктивного действия большую роль играют фотосенсибилизаторы.

1.   Фотосенсибилизация с участием O₂. Фотодинамические процессы.

·        Фотовозбуждённый сенсибилизатор вступает в RedOx реакцию с макромолекулами, в результате образуются реакционноспособные радикалы сенсибилизатора и молекулы биологического субстрата. Радикалы вступают в реакцию с кислородом.

·        А другом случае происходит перенос энергии от фотосенсибилизатора на кислород с образованием синглетного кислорода или супероксид-иона. АФК реагируют с биологическими молекулами и повреждают их.

2.   Фотосенсибилизация без участия O₂. Фотостатические процессы.

·        Возбуждённый фотосенсибилизатор взаимодействует с субстратом, вызывая его изменение, но не образует с субстратом постоянного соединения.

·        Возбуждённый фотосенсибилизатор образует устойчивое соединение с субстратом, нарушая его свойства.

Действие УФ излучения на мембраны складывается из действия на мембранные белки и действия на липиды мембран.

Свободнорадикальное окисление липидов связано с образованием радикалов жирных кислот под действием активных форм кислорода и перекиси. Образование активных форм кислорода начинается с присоединения электрона к молекуле кислорода.

При этом может образовываться супероксид-ион, перекись и гидроксильный радикал.

Эти формы являются очень реакционноспособными и вступают во взаимодействие практически с любыми веществами.

Возможно присоединение перекиси по двойной связи жирных кислот липидов. Это приводит к образованию липидных перекисей, которые в свою очередь также являются высокоактивными соединениями. В результате они взаимодействуют друг с другом с образованием поперечных сшивок между липидными молекулами. Этот процесс приводит к увеличению количества упорядоченных молекул с ограниченной подвижностью, повышается проницаемость мембраны.

Для ликвидации действия АФК в клетке работают антиоксидантные системы: Супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза и системы, направленные на дезактивацию синглетного кислорода: α-токоферол, β-каротин.

Действие на мембранные белки может протекать по фотодинамическому механизму, через образование АФК, а также без участия кислорода при поглощении излучения самими белками. Основные эффекты повреждения связаны с изменением конформации белков.

69.    Фотодеструктивные процессы. Действие ультрафиолетового излучения на нуклеиновые кислоты. Механизмы фотореактивации и фотозащиты.

Фотодеструктивные процессы – это процессы нарушения свойств биологических молекул под действием света. ДНК имеет максимум поглощения в области 260-265нм, поэтому является основной мишенью для действия коротковолнового ультрафиолета. Мишенями являются, в основном, пиримидиновые азотистые основания. Поглощение кванта излучения приводит к образованию возбуждённых форм, дезактивация которых может происходить в различных химических реакциях.

1.   Фотодимеризация: наиболее частый процесс, составляющий 80% всех летальных эффектов коротковолнового излучения. Эта реакция фотообратима, обратная реакция протекает при других длинах волн.

2.   Фотогидратация: присоединение воды к возбуждённому пиримидиновому кольцу по двойной связи. Эта реакция не является фотообратимой, но происходит только в одноцепочечных участках ДНК, где идут активные процессы транскрипции и трансляции.

3.   Образование пиримидиновых аддуктов: Это процесс образования сшивок между пиримидиновыми основаниями и другими веществами. Их образуется немного и они редко приводят к летальным эффектам. Также могут образовываться сшивки пиримидиновых оснований с белками.

Действие длинноволнового ультрафиолета проявляется только в присутствии фотосенсибилизаторов и при высоких интенсивностях длинноволнового ультрафиолета. Реакции могут протекать по фотодинамическому механизму или без участия кислорода. Фотосенсибилизаторами являются НАДНН⁺, тиоурацил, тиоуридин, кетоны и псоралены. В качестве продуктов могут образовываться пиримидиновые димеры и одноцепочечные разрывы ДНК.

Существует два механизма, предотвращающих повреждение нуклеиновых кислот:

1.   Фотореактивация. Процесс обусловлен действием фермента фотолиазы. Фермент активируется действием света 320-500нм и катализирует распад пиримидиновых димеров.

2.   Фотозащита. При предварительном облучении клеток длинноволновым ультрафиолетом значительно снижается их чувствительность к коротковолновому ультрафиолету. Это снижение чувствительности обеспечивается синтезом серотонина, который берёт на себя часть поступающего излучения.

70.    Фотодеструктивные процессы. Их общая характеристика. Действие ультрафиолетового излучения на белки.

Фотодеструктивные процессы – это процессы нарушения свойств биологических молекул под действием света. Фотодеструктивные процессы напрямую индуцируются коротковолновым ультрафиолетом, который поглощается нуклеиновыми кислотами и белками. Длинноволновое УФ излучение и видимый свет практически не поглощается НК и белками, для реализации их деструктивного действия большую роль играют фотосенсибилизаторы.

В белках наиболее подвержены действию ультрафиолета аминокислоты триптофан и цистеин.

Триптофан под действием коротковолнового ультрафиолета подвергается ионизации. Триптофан отделяет электрон, который сольватируется в растворе. Далее, катион диссоциирует на протон и нейтральный радикал, обладающий высокой реакционной способностью, и может образовывать сшивки с соседними группами аминокислотной цепи белка. Если реакции подвергся ТРП активного центра, это приводит к потере реакционной способности белка, а если нет, то это приводит к изменению конформации белка и снижению функциональной активности.

Сольватированный электрон может соединяться с растворённым кислородом с образованием супероксид-иона, который может вызывать повреждения по фотодинамическому механизму.

Фотореакции цистеина происходят по сходному механизму, что приводит к разрыву дисульфидной связи, нарушению конформации белка и изменению его активности.

71.    Виды ионизирующих излучений. Их физическая характеристика. Понятие дозы ионизирующего излучения. Виды дозиметрических показателей.

Ионизирующие излучения условно подразделяются на электромагнитные излучения и корпускулярные излучения:

·        Ионизирующие излучения представлены электромагнитными волнами высокой частоты. Рентгеновское – 3х10⁶ – 3х10⁹ ГГц и γ-излучение – >3х10⁹ ГГц

·        Корпускулярные излучения представлены частицами с ненулевой массой, обладающими высокими скоростями. Такими частицами могут быть электроны, позитроны, нейтроны, α-частицы, ускоренные ионы.

В результате радиоактивного распада образуется три типа излучения, различных по своим характеристикам.

Линейная плотность ионизации. Эта величина показывает число ионов одного знака, образованных ионизирующей частицей или фотоном на элементарном пути. Наибольшей линейной плотностью ионизации обладает α-излучение, поскольку оно образовано тяжёлыми ядрами гелия и обладает большой кинетической энергией. Величина линейной плотности ионизации пропорциональна энергии излучения.

Средний линейный пробег. Величина, отражающая проникающую способность излучения. Самым проникающим излучением является γ-излучение. Средний пробег в воздухе 300м., в тканях – 1 метр.

β-излучение обладает промежуточными значениями линейной плотности и линейного пробега.

Для оценки величины ионизирующего излучения и его влияния на вещество используют дозиметрические показатели.

1.   Доза излучения или экспозиционная доза. Это величина, которая даёт представление о количестве энергии излучения, падающей на объект. Фактически равно полному заряду ионов одного знака, возникающих в элементарном объёме воздуха в отношении к массе воздуха. Измеряется в Кулонах на килограмм. Внесистемная единица: рентген. 1рентген=2,58х10^-4Кл/кг. Интенсивность излучения определяют в единицах рентген в секунду.

2.   Доза облучения или поглощённая доза. Это величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу. Эта величина измеряется в единицах Грей. 1Грей равен дозе любого ионизирующего излучения при котором в 1кг вещества поглощается 1Дж энергии этого излучения. Внесистемная единица: 1Рад = 10^-2Грей.

3.   Эквидозиметрические показатели. Это показатели биологического действия ионизирующего излучения.

·        Относительная биологическая эффективность – коэффициент, показывающий во сколько раз излучение данного типа отличается от стандартного рентгеновского излучения при 180-250 кэВ.

·        Эквивалентная доза – поглощённая в органах и тканях доза излучения умноженная на взвешенный коэффициент для данного вида излучения, отражающий качественное воздействие излучения на объект. Единица измерения Зиверт = 1Дж/кг. Внесистемная: БЭР = 1/100 Зиверт.

72.    Действие ионизирующего излучения на вещество.

Действие ионизирующего излучения на вещество специфично для каждого вида излучения и представляет собой первичные эффекты излучения.

1.   γ-излучение.

·        Фотоэффект

·        Некогерентное рассеяние. Эффект Комптона. Рассеяние с изменением длины волны. Энергия расходуется на ионизацию, отрыв электрона от атома и сообщение ему кинетической энергии. При этом происходит увеличение длины волны и распространение её в веществе.

·        Образование электрон-позитронных пар и вторичного β-излучения.

·        Фотоядерная реакция. Выбивание нуклона из ядра с образованием лёгких изотопов.

2.   Рентгеновское излучение

·        Фотоэффект. Ионизация или возбуждение атомов при достаточной частоте излучения.

·        Когерентное рассеяние

·        Некогерентное рассеяние. Эффект Комптона.

3.   α-излучение

·        Ионизация или возбуждение атомов, зависящее от энергии излучения

·        Захват электронов вещества и превращение в атом гелия

·        Упругое взаимодействие с ядрами

·        Рассеяние

4.   β-излучение

·        Ионизация или возбуждение атомов

·        Возникновение тормозного рентгеновского излучения

·        Аннигиляция с позитронами с образованием γ-излучения.

5.   Нейтронное излучение

·        Упругое рассеяние

·        Неупругое рассеяние с передачей кинетической энергии ядру

·        Радиационный захват ядром атома с образованием тяжёлого изотопа.

73.    Действие ионизирующего излучения на биологические макромолекулы. Этапы радиационного повреждения макромолекул. Понятие о прямом и непрямом действии ионизирующего излучения. Характеристика прямого действия ионизирующего излучения.

Вторичные эффекты ионизирующего излучения проявляются на уровне макромолекул. Основные вторичные эффекты это:

1.   Увеличение скорости теплового молекулярного движения.

2.   Характеристическое рентгеновское излучение. При выбивании электронов с внутренних энергетических уровней происходит заполнение этих уровней с внешних энергетических уровней, что сопровождается испусканием рентгеновского излучения.

3.   Люминесценция – свечение вследствие перехода электронов с возбуждённых уровней на основные.

4.   Химические реакции, обусловленные переходом атомов в возбуждённое состояние с преодолением активационных барьеров реакций.

Действие ионизирующего излучение проявляется в несколько этапов.

1.   Физическая стадия.

Энергия излучения передаётся веществу, в нём возникают ионизированные и возбуждённые молекулы, неравномерно распределённые в объёме вещества. Эти эффекты проявляются в первые 10^-16-10-13с.

2.   Физико-химическая стадия.

Эта стадия представлена различными реакциями, приводящими к перераспределению энергии между молекулами. В результате образуются активные молекулярные элементы: ионы, радикалы, сольватированные электроны. 10^-13-10^-6с.

3.   Химическая стадия.

Радикалы взаимодействуют, образуя повреждения разного рода, что приводит к инактивации или нарушению функций макромолекул. 10^-6-10^-3с.

Различают два механизма радиационного повреждения макромолекул:

Прямой: Когда инактивированными оказываются молекулы непосредственно поглотившие энергию излучения.

Непрямой: Когда молекулы инактивируются в результате взаимодействия с активными реакционноспособными продуктами радиационного воздействия.

Прямое действие ионизирующего излучения исследуют при облучении сухих очищенных препаратов макромолекул. Прямое действие на ДНК выражается в одноцепочечных и двухцепочечных разрывах, межмолекулярных поперечных сшивках нуклеотидов и образовании разветвлённых цепей ДНК. Прямое действие на белки связано с изменением аминокислотного состава, нарушением третичной структуры, с разрывами АК цепей, разрывами дисульфидных связей, агрегацией молекул. Инактивация белка происходит при повреждении только определённых его групп, но его инактивация происходит даже при поглощении одного кванта излучения молекулой. Этот эффект связан с миграцией энергии в белках от места поглощения к месту проявления эффекта.

74.    Действие ионизирующего излучения на биологические макромолекулы. Этапы радиационного повреждения макромолекул. Понятие о прямом и непрямом действии ионизирующего излучения. Характеристика непрямого действия ионизирующего излучения.

Вторичные эффекты ионизирующего излучения проявляются на уровне макромолекул. Основные вторичные эффекты это:

Увеличение скорости теплового молекулярного движения.

Характеристическое рентгеновское излучение. При выбивании электронов с внутренних энергетических уровней происходит заполнение этих уровней с внешних энергетических уровней, что сопровождается испусканием рентгеновского излучения.

Люминесценция – свечение вследствие перехода электронов с возбуждённых уровней на основные.

Химические реакции, обусловленные переходом атомов в возбуждённое состояние с преодолением активационных барьеров реакций.

Действие ионизирующего излучение проявляется в несколько этапов.

1.   Физическая стадия.

Энергия излучения передаётся веществу, в нём возникают ионизированные и возбуждённые молекулы, неравномерно распределённые в объёме вещества. Эти эффекты проявляются в первые 10^-16-10-13с.

2.   Физико-химическая стадия.

Эта стадия представлена различными реакциями, приводящими к перераспределению энергии между молекулами. В результате образуются активные молекулярные элементы: ионы, радикалы, сольватированные электроны. 10^-13-10^-6с.

3.   Химическая стадия.

Радикалы взаимодействуют, образуя повреждения разного рода, что приводит к инактивации или нарушению функций макромолекул. 10^-6-10^-3с.

Различают два механизма радиационного повреждения макромолекул:

Прямой: Когда инактивированными оказываются молекулы непосредственно поглотившие энергию излучения.

Непрямой: Когда молекулы инактивируются в результате взаимодействия с активными реакционноспособными продуктами радиационного воздействия.

Непрямое действие при облучении растворов биологических веществ. При этом непрямой эффект излучения проявляется значительно сильнее, чем прямой. Радиочувствительность при разбавлении возрастает в 100 раз. Повреждение органических молекул в растворе в большой мере связано с продуктами радиолиза воды. Поскольку в растворе молекул воды значительно больше, чем растворённых веществ, вероятность поглощения излучения ими значительно больше.

В процессе прохождения частицы через воду вдоль её пути образуются возбуждённые производные воды: радикал протона, гидроксирадикал, сольватированные электроны, ион гидроксония. Часть образующихся радикалов рекомбинируют с образованием нейтральных продуктов или перекиси, но часть радикалов может взаимодействовать с растворёнными органическими молекулами. В результате образуются свободные органические радикалы, которые могут вступать в дальнейшие реакции, часто имеющие цепной характер.

75.    Действие ионизирующего излучения на биологические макромолекулы. Механизмы радиационного повреждения макромолекул. Модификация радиочувствительности.

Различают два механизма радиационного повреждения макромолекул:

Прямой: Когда инактивированными оказываются молекулы непосредственно поглотившие энергию излучения.

Непрямой: Когда молекулы инактивируются в результате взаимодействия с активными реакционноспособными продуктами радиационного воздействия.

Прямое действие ионизирующего излучения

исследуют при облучении сухих очищенных препаратов макромолекул. Прямое действие на ДНК выражается в одноцепочечных и двухцепочечных разрывах, межмолекулярных поперечных сшивках нуклеотидов и образовании разветвлённых цепей ДНК. Прямое действие на белки связано с изменением аминокислотного состава, нарушением третичной структуры, с разрывами АК цепей, разрывами дисульфидных связей, агрегацией молекул. Инактивация белка происходит при повреждении только определённых его групп, но его инактивация происходит даже при поглощении одного кванта излучения молекулой. Этот эффект связан с миграцией энергии в белках от места поглощения к месту проявления эффекта.

Непрямое действие при облучении растворов биологических веществ.

При этом непрямой эффект излучения проявляется значительно сильнее, чем прямой. Радиочувствительность при разбавлении возрастает в 100 раз. Повреждение органических молекул в растворе в большой мере связано с продуктами радиолиза воды. Поскольку в растворе молекул воды значительно больше, чем растворённых веществ, вероятность поглощения излучения ими значительно больше.

В процессе прохождения частицы через воду вдоль её пути образуются возбуждённые производные воды: радикал протона, гидроксирадикал, сольватированные электроны, ион гидроксония. Часть образующихся радикалов рекомбинируют с образованием нейтральных продуктов или перекиси, но часть радикалов может взаимодействовать с растворёнными органическими молекулами. В результате образуются свободные органические радикалы, которые могут вступать в дальнейшие реакции, часто имеющие цепной характер.

Изменение условий часто выражается в изменении радиочувствительности, модификации радиочувствительности.

1.   Эффект разбавления. Понижение концентрации раствора макромолекул повышает выход инактивированных молекул. Этот эффект связан с непрямым механизмом действия излучения.

2.   Кислородный эффект. С ростом концентрации кислорода усиливается радиочувствительность.

3.   Температурный эффект. Чувствительность увеличивается с ростом температуры.

4.   Эффект молекулярных примесей. Радиосенсибилизация и радиопротекция.

76.    Действие ионизирующего излучения на клеточном уровне.

Действие ионизирующего излучения на клеточном уровне определяется степенью поражения отдельных компонентов клетки. Для большинства клеток летальная доза 1-100Грей. Это связано с усилением повреждающего действия излучения за счёт непрямого действия. Для проявления летального действия достаточно инактивации 0,1% молекул.

Критическими для клетки являются повреждение ДНК, ферментов и липидов мембран. Конечным эффектом является гибель клеток или мутационный процесс при повреждении ДНК.

Существует два типа гибели: интерфазная гибель и репродуктивная гибель.

Оба типа реализуются путём некроза или апоптоза. Некроз характерен при облучении высокими дозами. В этом случае образуются окислительные радиоизотопы, которые повышают проницаемость мембран и инактивируют ионные насосы. Это приводит к изменению осмотического давления и разрушению мембранных структур.

Апоптоз, или запрограммированная гибель, - это механизм избавления организма от функционально неполноценных клеток. Этот механизм является преобладающим при небольших дозах облучения и связан с активацией генов клеточной гибели. Происходит синтез комплекса ферментов, вызывающих активацию эндонуклеаз и разрушение ДНК.

Апоптоз запускается с рецепторов внешней мембраны, с рецепторов мембран митохондрий или при появлении большого числа структурных повреждений ДНК. Апоптоз свойственен биологическим структурам любого уровня.

1.  Биофизика как наука. Предмет, задачи и объект исследования биофизики. Философские проблемы биофизики. Б. – Это наука о наиболее фундаментальных законах, лежащих в основе биологических процессов. Общая Биофизика: кинетика и термодинамика ЖС. Ч

 

• 14:21 05 Июля 2016
  Российско-китайский медуниверситет откроет магистерскую программу по TCM
• 01:21 05 Июля 2016
  На форуме МГУ Россия и Китай обсудят научно-образовательное сотрудничество
• 11:00 04 Июля 2016
  Реморенко: "ЕГЭ-туризм" в России сходит на нет
• 10:52 04 Июля 2016
  Летняя российско-австрийская школа откроется в Москве
• 15:31 01 Июля 2016
  В СПбГУ могут воссоздать географический факультет

Заказать уникальную работу