8 Класс-биофизика

Вспоминаем 7 класс: что умеем считать (по списку из 4-х позиций в биофизике–7) – что изучали и что научились делать? Упражнения ниже – как способ проверить себя и альтернатива получения зачетной оценки за 7-й класс.

В 7-м классе обсуждали количественные характеристики пространственной структуры макромолекул и производительности молекулярных процессов (в продолжение курса цитологии).

Скорости молекулярно-биологических процессов (репликацию, транскрипцию и трансляцию) рассматривали на примере воспроизводства бактериофага MS2.

Упражнение: вспомнить и разобраться по тексту биофизика–7, какие значения скорости отвечают каждому из этих процессов.

Обсуждали также и сам способ выражения скоростей молекулярных процессов через концентрации молекул, кинетику превращения и равновесные состояния.

Упражнение: равновесное состояние находили в последовательных приближениях – см. по тексту биофизика–7. Получить точное значение другим способом, прямо решая исходное уравнение. Еще один (более сложный) вариант: обсуждали возможность получить равновесные значения концентраций численно из кинетики превращения, представляемой в Excel; вычислить равновесные концентрации таким способом.

Закончили характеристиками энергетики молекулярных превращений и их эффективности. Для дыхания эффективность многократно выше (36–38 АТФ на одну молекулу глюкозы), чем для анаэробного получения энергии (2 молекулы АТФ при превращении собственно глюкозы или 3 молекулы АТФ, если используется полимер глюкозы – гликоген), которое дополнительно сопровождается накоплением токсических продуктов.

Полезно вспомнить: как получается такое количество АТФ при дыхании; что в этом случае с токсическими продуктами; что такое гликоген и зачем он нужен (что мешает накапливать молекулы АТФ)? А еще полезно сформулировать вопросы (по аналогии с перечисленными), на которые хотелось бы получить ответы, но мы пока не знаем, как их получить (контроль: таких вопроса, как минимум, три).

Еще одна задача по той же теме

Мышь на чашке весов теряет 0,012 г массы в час. Считая, что мышь не потеет, а субстратом дыхания являются углеводы, оценить расход субстратов. Какую массу может иметь эта мышь? Как изменятся выводы (о расходе субстратов и массе мыши), если субстрат дыхания неизвестен?

В 8-м классе продолжаем обсуждение цитологии через количественные характеристики и переходим к физиологии. Количественные расчеты лучше всего объясняют многие наблюдаемые биологические явления и организацию у животных и растений. Отсюда следует теоретическое обоснование физиологии, зоологии и т.д.

Упражнение: подобное объяснение того, как связаны теплокровность и полет у птиц, что рассматривали в последней теме биофизики–7. Разобрать логику рассуждений в этом объяснении и проверить расчеты.

Обозначения

(О) – определение

(П) – пример

(Д) – данные

(М) – метод

(Т) – теорема

(А) – аксиома

(Г) – гипотеза

(И) – интересно

(К) – комментарий

курсив – внешние и внутренние связи

После обсуждения клеточных сюжетов концентрация кислорода в связи с дыханием естественное продолжение – понять, как организованы этапы переноса кислорода в организме и как устроена их регуляция (одновременно в этом направлении продвигаемся в понимании сюжета с регуляцией воспроизводства бактериофага MS2).

Технические и методические возможности:

(М) единицы давления для измерения концентрации кислорода (равновесие в газовой фазе с жидкостью – водой, кровью, водной фазой биологических тканей), тогда удобно наблюдать дыхательные превращения на уровне организма животного (и аналогично с превращениями кислорода, CO₂ и водяного пара для растений)

(И) еще один вариант измерения концентрации – в литрах газообразного кислорода на литр воздуха (при некоторых стандартных условиях – обычной/нормальной температуре и атмосферном давлении), тогда применима табличка в справочных данных (у всех есть + это приложение в биофизике–7) про связь с энергией и измерение энергопотребления по кислороду

Упражнение (после обсуждения любой из тем далее): как эти два дополняющих подхода к представлению концентраций применяются в любой из рассматриваемых тем?

(И) химическая форма запасания энергии в сравнении с механической

Упражнение: на какую высоту нужно поднять килограмм жира, чтобы получить такое же количество энергии при падении, что и при метаболическом превращении энергии? Оцените потенциальные возможности использования энергии, запасенной в единице массы липидов, для совершения механической работы: какое расстояние можно преодолеть при горизонтальном перемещении данной массы и КПД 100%, если сила сопротивления составляет 1/10 силы тяжести?

Основное содержание (конспективно)

Занятия – темы в 8-м классе:

5.10.13

Как за счет связывания с белком большой молекулярной массы можно увеличить содержание кислорода (в сравнении с растворенной формой):

количество растворенного кислорода (по справочным данным) при 1 атмосфере (т.е. при 100% кислорода) составляет 34 мл O₂ (газообразного) на литр воды (справочные данные)

тогда в равновесии с атмосферной концентрации 21% = 150 Торр (мм рт.ст.) количество O₂ составит около 7 мл

в легких, где атмосферный воздух смешивается с их содержимым (и давлении 100 Торр) – уже 5 мл, а в потребляющих тканях будет еще меньше

Молекула миоглобина (Mb) с М.м. около 17000 Да способна связывать одну молекулу кислорода. Тогда, например, если литр водного раствора содержит 85 г миоглобина (это около трети полезного объема биологической ткани, считая, что она на 70% состоит из воды, а ее плотность примерно равна плотности воды), то он может связать до 5 ммоль кислорода, т.е. 1/200 от 25 л при температуре тела. Это составит около 125 мл O₂ (газообразного), что значительно превышает количество растворенного кислорода (особенно при низком давлении, что нормально при активном потреблении кислорода).

В результате за счет дополнительной массы белка, которая в 500 раз больше массы кислорода (выражение «молекулярного гигантизма» – обсуждали в биофизике–7), удается значительно увеличить связывание в сравнении с раствором (!) это лучший показатель того, насколько плохо растворим в воде кислород как неполярная (гидрофобная) молекула.

19.10.13

Кривая связывания кислорода с миоглобином = кривая насыщения миоглобина

Миоглобин имеет один центр связывания с кислородом, т.е. схема связывания для него

E + c = Ec

Связывание происходит за счет слабых взаимодействий типа электростатических, для которых энергия активации относительно мала, а поэтому его можно считать равновесным процессом даже если кислород потребляется в химических превращениях или, наоборот, образуется в них (где энергия активации может быть весьма велика).

В этом случае скорости прямого и обратного процессов равны (k₊[E]c = k_–[Ec], где k₊ и k_– - константы скорости прямого и обратного процессов, K = k₊/k_– - константа равновесия, c одновременно обозначает само вещество и его концентрацию) и есть общая связь концентраций [E] + [Ec] = E₀. Из этих условий можно выразить концентрацию связанного кислорода.

[Ec] = Kc[E] = E₀ Kc /(1 + Kc )

Тогда степень насыщения миоглобина, определяемая как отношение связанного кислорода (в данном случае – это [Ec]) к количеству, которое может быть максимально связано (в данном случае – это E₀)

Y = [Ec]/E₀ = Kc /(1 + Kc )

Концентрацию связанного кислорода можно выразить и через константу равновесия диссоциации (обратного процесса). Удобство в том, что она имеет размерность концентрации (или давления, если выражать концентрацию через давление кислорода в равновесии с раствором)

Тогда по определению K = k_–/ k₊, а выражение для степени насыщения имеет вид

Y = [O₂]/(K + [O₂])

Когда концентрация кислорода равна значению [O₂] = K, степень насыщения Y = ½.

(К) Используем такое же обозначение для константы скорости, т.к. спутать невозможно из-за различия в размерности

Иными словами, в этом простейшем случае типовая зависимость скорости процесса от концентрации регулятора – гиперболическая.

Быстрая и медленная мускулатура – объяснения к «физиологии» Окштейна

если запасать кислород, связывая его с белком (миоглобином или гемоглобином), то 1 молекула кислорода «стоит» 17000 Да (а 1 моль 17000 г), тогда на 6 молекул кислорода получаем 36–38 АТФ (курс цитологии/справочные данные), т.е. 1 молекула АТФ «стоит» около 3000 Да

если запасать непосредственно АТФ (можно обсуждать осмотические и другие ограничения, но есть другие аналогичные, где такие ограничения выражены слабее или отсутствуют, например, креатинфосфат или полифосфаты), то 1 молекула АТФ «стоит» около 507 Да

если же анаэробно, то 180 Да в глюкозе дают 2–3 АТФ, т.е. 1 молекула АТФ «стоит» 60–90 Да.

По этой причине самая мощная быстрая мускулатура работает анаэробно, но кратковременно из-за ограниченности запаса гликогена и накопления токсических продуктов анаэробного обмена.

(Д) РМ, с. 181, фото: продольный срез аэробного мышечного волокна из летательной мускулатуры шмеля и «анаэробного» (белого) мышечного волокна из грудной мышцы фазана (вспоминаем, что должно быть на рисунке и почему именно такие определения использованы)

26.10.13