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.