
- •Введение. Термодинамические процессы
- •Термодинамика биологических процессов
- •Параметры (2 основн-х типа):
- •8.Первый закон тд в биологии; доказательства его применимости к живым системам. Своеобразие проявления первого закона тд в биосистемах.
- •9.Характеристика энтальпии системы как функция состояния. Тепловой эффект процесса.
- •Практич. Применение:
- •Следствия из закона Гесса:
- •Осн. Положения:
- •Применимость 2 закона т/д для характеристики свойств биосистем
- •Применимость второго закона тд к биосистемам:
- •15.Теория Онзагера. Гетерогенность энтропии в биосистемах. Уравнение второго закона термодинамики для открытых систем.
- •Механизмы саморегуляции систем
- •18. Организм и клетка как химическая машина. Химический потенциал живой системы.
- •19.Критерии спонтанности, самопроизвольности протекания процессов в тд системах.
- •20.Применение тд в биологии: методы расчёта стандартной и реальной свободной энергии биохимических процессов. Свободная энергия Гиббса и Гельмгольца.
- •Расчёт тд параметров для тд систем:
- •21. Потенциал переноса атомных группировок в различных трансферазных реакциях.
- •21.Понятие макроэргической связи. Характеристика атф как универсального аккумулятора энергии в биосистемах.
- •23.Причины высоких значений потенциала переноса при гидролизе ди- и полифосфатов. Разнообразие макроэргических соединений в биосистемах.
- •24.Типы энергетического обмена в биосистемах
- •26. Термодинамическая характеристика анаэробного распада глюкозы. Расчет кпд.
- •Баланс атф при анаэробном гликолизе
- •Анаэробная фаза дыхания (гликолиз)
- •27. Термодинамическая характеристика окисления пвк в цикле Кребса. Ресчет кпд.
- •Значение окислительного декарбоксилирования пирувата
- •Регуляция общего пути катаболизма
- •28. Термодинамика полного окисления глюкозы. Расчет биологического окисления глюкозы.
- •Реакции подготовительного этапа:
- •Общее уравнение декарбоксилирования и окисления пвк:
- •29. Этапы унификации энергетических субстратов в процессах катаболизма.
- •Суть гипотезы Митчела можно выразить следующей схемой
- •33. Разнообразие механизмов образование атф и их вклад в энергетику клетки.
- •В упрощенном виде ресинтез атф аэробным путем может быть представлен схемой:
- •Гликолитический путь ресинтеза атф
- •Итоговое уравнение анаэробного расщепления гликогена имеет следующий вид:
- •34. Различные типы электрон-транспортных путей в живых организмах. Их роль в биоэнергетике клетки.
- •Электронтранспортные цепи митохондрий эукариот
- •Электронтранспортные цепи бактерий
- •35. Биофизика фотосинтеза
- •Квантовый расход фотосинтеза для одноклеточных водорослей в лабораторных условиях составляет 8-12 квантов на молекулу co2.
Введение. Термодинамические процессы
1.Биофизика, как самостоятельная научная дисциплина. Предмет и задачи современной биофизики.
Биофизика – это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и являются основой физиологических актов. Возникновение биофизики произошло, как прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология.
Живые огранизмы – открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, важнейшими функциональными веществами в которой являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярного строения.
Задачи биофизики:
1. Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических (т/д) основ жизни.
2. Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития, саморегуляции и самовоспроизведения.
3. Выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополиметов и других биологически активных веществ.
4. Создание и теоретическое обоснование физ-хим методов исследования биообъектов.
5. Физическое истолкование обширного комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.)
Разделы биофизики:
1. Молекулярная – изучает строение и физ-хим свойства, биофизику молекул.
2. Биофизика клетки – изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем.
3. Биофизика сложных систем – изучает кинетику биопроцессов, поведение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и термодинамику биосистем.
Биофизика как междисциплинарная наука, находящаяся на стыке биологии, физики, химии и математики. Современная биофизика стремительно развивается, ее достижения способствуют переходу биологии на качественно более высокий молекулярный уровень исследования.
МЕТОДЫ:
1. Микроэлектронный. Для изучения биоэлектрического потенциала. Принцип: отбир объект (аксон кальмара). Оборудование - а)микроэлектрод, Д=2-10нм (стеклянный, в него погружен серебряный электрод)-внутр среда, б) усилитель тока, в)электрод сравнения - внеш среда.
2. Метод моделирования биологических мембран. Используют искусственные мембраны: а) липосомы, б) бислойные биологические мембраны, в) протеолипосома. Изучают процесс транспорта и свойства биолмембран.
2.Биологические и физические процессы и закономерности в живых системах. Редукционизм и антиредукционизм. Принцип качественной несводимости.
Живые огранизмы – открытая, саморег-ся, самовоспр-ся и разв-ся гетерогенная система, важнейшими функциональными в-вами в которой явл-ся биополимеры: белки и нукл. к-ты сложного атомно-мол-ного строения.
Первые попытки объяснения биолог. пр-сов связаны с методами сравнения с физич. пр-ми. Напр: м-м нервного проведения – как распростр. волны окисления в медной проволоки в кислоте; мышечное сокращение объяснялось работой пьезо элементов; рост клетки. Первоначально физика проникла в химию - необходимость объяснить как разл. соединения взаимод-ют в организме - физическая химия и химическая физика.
Сущ 2 направления современ. физики:
1) Редукционисты: Любой био процесс происх. в жив организме можно свести к суме хим., физ. и механич. процессов. Объяснение сложного ч/з более простое, непонятное ч/з известное. Зная св-ва отдельных элементов, сост. систему и особенности их взаимод-вия, можно вывести все свойства этой системы. Обр. более сложного уровня - это результат усложнения более простых. Иногда: попытки заменить исследование реального объекта его упрощенной моделью. Достижение: предсказание существования планеты Нептун. Но как метод мышления не является универсальным. Неудача в биологии: не могут объяснить с этой т.зр. феномен жизни.
2) Антиредукционисты: Принцип качественной несводимости или био антиред., т.е. невозможность свести законы и принципы, управляющие живой материей к элементарной сумме физико-хим и мех. процессов процесс жизнедеятельности. Т.е. физико-матем. модели не м.б. адекватными, если в них не сод-ся элементы функциональной организации живых систем. Т.е. существует предел, после которого физические представления перестают быть самодостаточным средством познания, а дальше определяющим фактором становятся некоторые БИОистины, без которых уже не обойтись.
Принцип качественной несводимости:
Невозможно свести биоявление к элементарной сумме физич.процессов и химич. р-ций.
3.Основные направления развития современной биофизики. Уровни биофизических исследований.
Успехи применения физической и коллоидной химии при объяснении ряда биологических явлений нашли отражение и в медицине. Была выявлена роль ионных и коллоидных явлений в воспалительном процессе. Новое направление в биологии, базирующееся на физике и физической химии, стали называть физико-химической биологией, биологической физикохимией, биофизической химией. Позже все эти термины были объединены одним термином — биофизика.
Характерной чертой биофизики, отличающей ее от биохимии, является то, что она рассматривает целостные системы, не разлагая их по возможности на отдельные химические компоненты.
Биофизика занимается, в первую очередь, вопросами размена энергии в биологическом субстрате, исследованием роли субмикроскопических и физико-химических структур в жизнедеятельности клеток и тканей, возникновением возбуждения и происхождением биоэлектрических потенциалов, вопросами авторегуляции физико-химических процессов в живых организмах.
Одним из важнейших направлений биофизики является изучение биологического действия ионизирующих излучений. Важнейшим моментом в действии лучистой энергии на биологический субстрат является первичный переход физической энергии, поглощенной биологическим субстратом, в химическую энергию и развитие первичных химических реакций. При этом происходит образование высокоактивных радикалов и ионов, которые и служат центрами первичных реакций. Первичный выход активных химических продуктов определяет все дальнейшее развитие поражения. Поэтому в настоящее время первостепенное значение приобретает исследование химической природы первичных радикалов и кинетики радикальных реакций. Проблемы механизма фотосинтеза. С этой проблемой связан также еще один принципиальный для биофизики вопрос: вопрос о возможности миграции энергии и о механизме такой миграции. В таком же аспекте изучаются биофизикой первичные механизмы, лежащие в основе зрительного акта, исследуются продукты фотохимических реакций, происходящих при поглощении энергии света пигментами зрительных рецепторов.
Следующим важным направлением биофизики является исследование проницаемости клеток и тканей. Физико-химическая биология уже давно занимается выявлением закономерностей проникновения вещества в живые клетки. С проницаемостью связано фармакологическое действие лекарственных веществ и токсическое действие различных ядов. Проникновение веществ в клетки зависит в первую очередь от физико-химических свойств молекул, их растворимости, их электрических свойств — распределения зарядов. С другой стороны, проницаемость связана со способностью поверхностных клеточных мембран пропускать те или иные вещества. Поэтому биофизика изучает и физико-химические свойства биологических мембран и способы повышения или понижения проницаемости действием различных агентов.
Изучение физико-химических превращений биополимеров в клетке тесно связано с выявлением механизма возникновения возбуждения и биоэлектрических потенциалов как в недифференцированных клетках, так и в специализированных нервных и мышечных элементах. Важное место занимает решение вопросов о физико-химических механизмах передачи наследственных свойств и изучение механизмов, определяющие устойчивость вида и его изменчивость. При этом анализируются те силы, которые вызывают деление и расхождение хромосом, физико-химические основы взаимодействия нуклеиновых кислот, физико-химическая природа гена и т. д.
Кроме этого большое внимание привлекает проблема авторегуляции. В клетках с удивительным постоянством поддерживаются величины рН и ионный баланс калия и натрия даже при значительных изменениях концентрации во внешней среде. Биологические системы очень хорошо координируют уровни протекания энергетических процессов. Авторегулирующие механизмы играют большую роль в приспособлении животных и растений к изменяющимся условиям внешней среды.
4.Термодинамика, как ядро современной биофизики. Предмет и задачи. Практическое значение ТД в БФ исследованиях.
ТД – это н. о превращениях Е. ТД - это н., изуч. наиболее общие закономерности превращения различных видов Е в системе.
Предмет: изучение изменения баланса в системе живой организм - окружающая среда.
Выделяют 2 осн. направления использования термодинамики:
а) расчёт Е превращения в живом орг-ме и в отд. системах орг. и в состоянии покоя и при совершении работы. Определение КПД разл. биол. процессов.
б) Исследование живых организмов как отрытых т\д систем.