Место биофизики в естествознании

Сентябрь 2, 2022

Главная
Алгебра
Место биофизики в естествознании

Содержание

2. Место биофизики в естествознании. Методы и направления современной биофизики. Биофизика определяется как физика явлений жизни, изучаемых
3. Биофизику условно подразделяют на 3 области : молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика сложных систем .Молекулярная биофизика
5. Биофизика сложных систем—преимущественно теоретическая область биофизики, посвящённая рассмотрению общих проблем и физ –мат моделированию биологических процессов.
8. Основные разделы. Молекулярная бииофизика ---изучает строение и физ. свойства молекул, -входящих в состав организма--- прежде всего
9. Структура и модели мембран
10. Специфика живого впервые проявляется на молекулярном уровне. Современный этап развития биофизики начался по существу с выдающихся
11. Модели мембран. первая попытка представить молекулярную организацию клеточных мембран принадлежит Даниэлю –Давсону (1935, Англия) – они
13. В 1972 г. Сингер и Николсон (Singer ,Nicolson) предложили жидко- мозаичную (кристаллическую) модель мембраны, согласно которой
16. Структурную основу любой мембраны составляет двойной фосфолипидный слой Липиды построены из полярной головки и двух длинных
19. Рис. 16.2. Поведение молекул фосфолипидов в воде
20. Расположение белков в мембране В липидную матрицу встроены белки (на одну молекулу белка приходится 75-90 молеку
21. белки
22. Гликолипиды могут служить рецепторами для химических сигналов. Гликолипиды помогают клеткам распознавать друг друга. Вместе с гликопротеинами
23. Поверхностные белки (пб). Белковые молекулы покрывают мембрану с обеих сторон и придают ей эластичность и устойчивость
24. Бислойное расположение фосфолипидов и присутствие в мембранах белков были подтверждены методами рентгеноструктурного анализа,а также определены важные
25. Наблюдать структуру мембраны в обычный оптическйий микроскоп невозможно ,т.к .предел разрешения 200 нм,значительно превышает размеры мембраны.
26. Рассматривая с помощью электронного микроскопа ультратонкий срез клетки можно увидеть огромное количество тонких двойных линий ,толщиной
27. Функции мембран
28. Рассмотрим функции мембран—к ним относятся : Механическая—мембраны создают раздел между клеткой и окружающей её средой ,
29. Матричная: обеспечение определённого взаимного расположения белков Кроме того на внутренних мембранах митохондрий происходит синтез АТФ, на
30. Вторая модель - плоский бислой. Такая модель позволяет изучать ионную проницаемость, генерацию электрического потенциала на мембране.
31. Физические свойства мембран
32. Плотность липидного бислоя составляет 800 кг/м , что меньше, чем у воды. Размеры. Толщина мембраны (L)
33. Поверхностное натяжение равно 0,03-3 мН • м-1, что на 2 3 порядка ниже, чем у воды
34. Электросопротивление 1 см поверхности мембраны составляет 10-10 Ом. Электроизоляционные свойства мембраны значительно превосходят свойства технических изоляторов.
35. Перенос молекул (атомов) через мембраны
36. Явления переноса - это самопроизвольные необратимые процессы. К явлениям переноса относятся: - диффузия (перенос массы); -
37. Уравнение диффузии в однородной среде. Диффузия — явление самопроизвольного переноса массы вещества из области с большей
38. Количество переносимого вещества можно измерять в килограммах или молях (г/). : ф = m/t [кг/с] или
39. размерность коэффициента диффузии одинакова: [D] = м/с. Коэффициент D зависит от свойств жидкости, свойств диффундирующих частиц,
40. Уравнение Фика для мембраны. Уравнение Фика описывает диффузию в однородной среде обязательно имеет место скачкообразное изменение
41. Концентрации частиц внутри и вне клетки соответственно равны с\ и с0. Концентрация частиц в мембране у
42. Мембраны состоят из липидов 3-х классов: фосфолипиды ,гликолипиды и холестерол. Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными
43. для плотности потока J = -D(cMO - cMi)/L = DK{c; - c0)/L. Введем коэффициент проницаемости мембраны
46. Скачать презентацию

Слайд 2

Место биофизики в естествознании. Методы и направления современной биофизики.
Биофизика определяется как

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

Слайд 3

Биофизику условно подразделяют на 3 области : молекулярная биофизика, биофизика

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

Слайд 4

Слайд 5

Биофизика сложных систем—преимущественно теоретическая область биофизики, посвящённая рассмотрению общих проблем и

физ –мат моделированию биологических процессов.
Методы современной биофизики должны сочетать : высокую чувствительность и большую точность, поэтому прежде всего используют достижения современной электроники и оптические методы спектроскопии (ЯМР,ЭПР)

Слайд 6

Слайд 7

Слайд 8

Основные разделы.
Молекулярная бииофизика ---изучает строение и физ. свойства молекул, -входящих в

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

Слайд 9

Структура и модели мембран

Слайд 10

Специфика живого впервые проявляется на молекулярном уровне. Современный этап развития

биофизики начался по существу с выдающихся открытий Л.Полингом пространственной структуры белка и Д. Уотсоном и Ф.Криком знаменитой спирали жизни ---двойной спирали ДНК.
Как вам известно клетка –структурная и функциональная единица живого.(Шлейден ,Шванн)
Основу структурной организации клетки составляют мембраны(блм) ---тонкие пограничные структуры молекулярных размеров ,расположенные на поверхности клеток и субклеточных частиц. Основу (матрицу) мембраны формируют фосфолипидные молекулы, каждая из которых имеет полярную голову и неполярный хвост. Головы фосфолипидных молекул содержат фосфатные и холиновые группы и поэтому полярны, хорошо контактируют с молекулами воды(гидрофильны) хвосты неполярные СН цепи жирных кислот (14-24 атома углерода) гидрофобны В водном растворе молекулы фосфолипидов самопроизвольно собираются и образуют двойной слой(бислой), при этом гидрофильные головы обращены к воде а гидрофобные хвосты напралены друг к другу и вытесняют из внутренней области молекулы воды Толщина пипидного бислоя 5-9 нм.

Слайд 11

Модели мембран.
первая попытка представить молекулярную организацию клеточных мембран принадлежит Даниэлю

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

Слайд 12

Слайд 13

В 1972 г. Сингер и Николсон (Singer ,Nicolson) предложили жидко- мозаичную

(кристаллическую) модель мембраны, согласно которой молекулы белков плавают в жидком фосфолипидном бислое. Они образуют в нём как бы своеобразную мозаику, но поскольку этот бислой жидкий,то и сам мозаичный узор не жёстко фиксирован; белки могут менять в нём своё положение. Покрывающая клетку тонкая мембрана напоминает плёнку мыльного пузыря –она тоже всё время «переливается».Хотя мембрана характеризуется исключительной тонкостью, (тончайшая клеточная оболочка ),она обладает высокой прочностью ,гибкостью.

Слайд 14

Слайд 15

Слайд 16

Структурную основу любой мембраны составляет двойной фосфолипидный слой Липиды построены из

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

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

Рис. 16.2. Поведение молекул фосфолипидов в воде

Слайд 20

Расположение белков в мембране В липидную матрицу встроены белки (на

одну молекулу белка приходится 75-90 молеку л липидов) и функциональные белковые комплексы. Биол.мембрана включает различные белки :интегральные (пронизывающие мембрану насквозь),полуинтегральные (погружённые одним концом во внешний или внутренний липидный слой),поверхностные (расположенные на внешней стороне мембраны.) Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны с цитоскелетом внутри клетки, многие и. белки выполняют функцию ионных каналов( транспорт веществ) ; рецепторов. Все белки мембраны синтезируются в эндоплазматическом ретикулуме.

Слайд 21

белки

Слайд 22

Гликолипиды могут служить рецепторами для химических сигналов. Гликолипиды помогают клеткам распознавать

друг друга. Вместе с гликопротеинами они обеспечивают правильное сцепление клеток при их объединении в ткани, т.к. с помощью «антен» клетки способны распознавать другие клетки, т.е. они действуют как маркеры,своего рода «ярлыки »,позволяющие опознать клетку.

Слайд 23

Поверхностные белки (пб). Белковые молекулы покрывают мембрану с обеих сторон и

придают ей эластичность и устойчивость к механическим повреждениям. Интегральные белки (иб) являются главным компонентом, ответственным за избирательную проницаемость клеточной мембраны.

Слайд 24

Бислойное расположение фосфолипидов и присутствие в мембранах белков были подтверждены методами

рентгеноструктурного анализа,а также определены важные структурные параметры мембраны (толщина 7-9 нм, 4-13нм). Использование рентгеновского излучения для анализа мембранных структур, что длина волны излучения сопоставима с размером объекта (0,00001- 80 нм).

Слайд 25

Наблюдать структуру мембраны в обычный оптическйий микроскоп невозможно ,т.к .предел разрешения

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

Слайд 26

Рассматривая с помощью электронного микроскопа ультратонкий срез клетки можно увидеть огромное

количество тонких двойных линий ,толщиной 7-10 нм, которые представляют срез биол. мембраны.

Слайд 27

Функции мембран

Слайд 28

Рассмотрим функции мембран—к ним относятся :
Механическая—мембраны создают раздел между клеткой и

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

Слайд 29

Матричная: обеспечение определённого взаимного расположения белков
Кроме того на внутренних мембранах

митохондрий происходит синтез АТФ, на мебранах происходит генерация биопотенциалов, акустическая,зрительная и др.рецепции.
Многие патологические процессы в клетке ,включая такие как раковое перерождение, нарушения при атеросклерозе связаны с нарушением барьерной и структурной функции мембран.

Слайд 30

Вторая модель - плоский бислой. Такая модель позволяет изучать ионную проницаемость,

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

Слайд 31

Физические свойства мембран

Слайд 32

Плотность липидного бислоя составляет 800 кг/м , что меньше, чем у

воды. Размеры. Толщина мембраны (L) меняется от 4 до 13 нм, причем различным клеточным мембранам присуща разная толщина. Вязкость. Липидный слой мембраны имеет вязкость η = 30-100 мПа •

Слайд 33

Поверхностное натяжение равно 0,03-3 мН • м-1, что на 2 3

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

Слайд 34

Электросопротивление 1 см поверхности мембраны составляет 10-10 Ом. Электроизоляционные свойства мембраны

значительно превосходят свойства технических изоляторов. Жидкокристаллическое состояние. при котором вещество обладает текучестью, но сохраняет определенную упорядоченность в расположении молекул . При изменении температуры в мембране можно наблюдать фазовые переходы. При фазовых переходах меняется толщина двойного слоя.

Слайд 35

Перенос молекул (атомов) через мембраны

Слайд 36

Явления переноса - это самопроизвольные необратимые процессы. К явлениям переноса относятся: - диффузия

(перенос массы); - вязкость (перенос импульса из слоя в слой); - теплопроводность (перенос энергии); - электропроводность (перенос электрического заряда). Как синоним переноса частиц в биофизике используется термин транспорт частиц.

Слайд 37

Уравнение диффузии в однородной среде. Диффузия — явление самопроизвольного переноса массы вещества

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

Слайд 38

Количество переносимого вещества можно измерять в килограммах или молях (г/). : ф

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

Слайд 39

размерность коэффициента диффузии одинакова: [D] = м/с. Коэффициент D зависит от свойств

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

Слайд 40

Уравнение Фика для мембраны. Уравнение Фика описывает диффузию в однородной среде

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

Слайд 41

$Концентрации частиц внутри и вне клетки соответственно равны с\ и с0.$

Концентрации частиц внутри и вне клетки соответственно равны с\ и с0.

Концентрация частиц в мембране у ее внутренней и внешней поверхностей обозначены см1 и смо- градиент концентрации диффундирующего вещества : dc/dx = (смо- cMi)/L.

Слайд 42

Мембраны состоят из липидов 3-х классов: фосфолипиды ,гликолипиды и холестерол. Фосфолипиды

и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных углеволородных «хвостов«,которые связаны с заряженной гидрофильной «головкой». Холестерол придаёт мембране жёсткость,занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться.

Слайд 43

для плотности потока J = -D(cMO - cMi)/L = DK{c; -

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

Слайд 44