Раздел IV. Биофизика

Глава 1. Молекулярная биофизика

1.1. БИОФИЗИКА, ЕЁ ПРЕДМЕТ, СВЯЗЬ С ДРУГИМИ НАУКАМИ. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ЗНАЧЕНИЕ БИОФИЗИКИ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ И ФАРМАЦИИ

Биофизика – наука о физических и физико-химических основах функционирования живого организма на всех уровнях его организации. Принято разделять уровни организации организма на :

1. Молекулярный. Специфика живого начинается с биомакромолекул, так называемых, «живых молекул».

2. Клеточный. Живая клетка – элементарный «квант» жизни.

3. Сложных систем – органов, функциональных систем, организма в целом, сообществ организмов, биосферы в целом.

Соответственно общую биофизику разделяют на молекулярную, клеточную, сложных систем.

Взаимосвязь биофизики с другими науками можно представить схемой:

ФИЗИКА ХИМИЯ

БИОЛОГИЯ

БИОФИЗИКА

МЕДИЦИНА ФАРМАЦИЯ

Биофизика родилась, в основном, в XX веке в результате применения физики и физической химии к биологии. Она стала теоретической основой биологии и нашла важные применения в медицине и фармации.

Биофизика широко использует физические и физико-химические методы исследования - такие как электронную микроскопию, метод меченых атомов, люминесцентный анализ и многие, многие другие. Вместе с тем биофизики разработали и специфические методы исследования. Например, метод спин- зондов и спин меток, метод фотообесцвечивания, метод замораживания-скола-травления-напыления при исследовании биологических мембран, метод стеклянного микроэлектрода и фиксации трансмембранной разности потенциалов при исследовании биопотенциалов и нервного импульса.

Из важнейших применений биофизики в медицине и фармации можно отметить:

1.Изучение процессов в живом организме в норме, при патологии и при лечебном, в том числе, лекарственном воздействии. ( Например, природа нервного импульса, раскрытая биофизиками только во второй половине прошлого века, действие анестетиков и нервно- паралитических ядов. Строение и свойства биологических мембран, транспорт веществ через биомембраны, изучение проблемы преодоления лекарствами биологических барьеров, доставки их в нужное место организма).

2. Разработка методов диагностики. ( Например, электрокардиография, электроэнцефалография, авторадиография, термография).

3. Разработка методов физиотерапии. ( Например, УВЧ-терапия, индуктотермия, микроволновая терапия, лазерная терапия).

4. Разработка методов хирургии. (Например, имплантируемые радионуклиды, ультразвуковая хирургия, лазерная хирургия).

5. Исследования влияния окружающей среды на организм. ( Например, вибрации, радиации)

1.2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ БИОМАКРОМОЛЕКУЛ , ИХ ФУНКЦИИ В ОРГАНИЗМЕ

Специфика живого начинается с молекул – так называемых биомакромолекул. Основные типы биомакромолекул и их функции в организме приведены в таблице 1.1

ТАБЛИЦА 1.1

Основные типы биомакромолекул. Их функции в организме

1. Нуклеиновые кислоты.

Хранение и передача информации.

2. Белки

1) Структурная (каркас клетки) 2) Ферментативная (все ферменты - белки) 3) Иммунологическая (все антитела - белки) 4) Сократительная (белки актин и миозин–основа саркомера) 5) Энергетическая (окисление белков – освобождение энергии Гиббса, обеспечивающее энергетические потребности организма наряду с окислением липидов и углеводов

3. Липиды

1) Энергетическая 2) Структурная (входят в состав клеточных мембран)

4. Углеводы

1) Энергетическая 2) Структурная (входят в состав оболочек растительных клеток и формируют опорный скелет растений)

3. ЭНТРОПИЙНЫЙ ХАРАКТЕР УПРУГОСТИ БИОПОЛИМЕРОВ В ВЫСОКОЭЛАСТИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ.

Наиболее разнообразные функции в организме выполняют белки. Поэтому Ф. Энгельс в свое время дал определение жизни как «способа существования белковых тел».

Белки так же, как и нуклеиновые кислоты, некоторые сложные углеводы и липиды относятся к биомакромолекулам – биополимерам. Биополимерам присущи некоторые свойства, которые являются необходимым условием жизни на всех уровнях ее организации – сочетание порядка и свободы, разнообразия, изменчивости.

Так, биополимеры в высокоэластическом состоянии (белки, входящие в состав мышечной ткани, соединительной ткани, кожи и т.д.) способны к большим деформациям: растяжению, сжатию, сдвигу, которые после снятия нагрузки исчезают.

Отдельные сегменты макромолекул эластомера движутся относительно независимо друг от друга. За счет поворотов вокруг С–С связей меняются конформации молекул без разрушения её структуры.

При растяжении эластомера нити их полимерных молекул за счет конформационных перестроек распутываются, вытягиваются без заметного изменения потенциальной энергии связи между различными частями молекул. После снятия нагрузки, после исчезновения сил, растягивающих молекулу, тепловые движения сегментов снова запутывают молекулу (рис.1.1).

Рис.1.1.Энтропийная природа высокоэластичности эластомера.

Макроскопические системы стремятся (при постоянном давлении и температуре) перейти в состояние с минимальной энергией Гиббса G®G_min (приp₌ const, Т₌ const)

Энергия Гиббса G=U-TS–pV, (1.1)

Где:

U– внутренняя энергия,

T– температура,

S– энтропия,

P– давление,

V– объём.

Система стремится, следовательно, к состоянию с минимальными значениями внутренней энергии и объема и максимальным значением энтропии.

U – min, V – min, S – max.

Объём биополимеров при их деформации практически не меняется.

Внутренняя энергия, как известно, - сумма кинетических энергий движения частиц, составляющих тело, относительно друг друга и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

U = Σ E _кί +Σ E _nί

При постоянной температуре кинетическая составляющая внутренней энергии не меняется.

Σ E _кί =const

Потенциальная составляющая внутренней энергии стремится к min.

ΣE _nί →min(1.2)

У полимеров в высокоэластическом состоянии при деформации потенциальная энергия меняется незначительно. Их упругость обусловлена стремлением к максимуму энтропии, (т.е. к максимуму беспорядка).

S®S_max(1.3)

При снятии деформирующих эластомер внешних нагрузок полимерные нити запутываются, подчиняясь тенденции стремления к максимуму беспорядка – максимуму энтропии.

Поэтому говорят об энтропийной упругости биополимеров в высокоэластическом состоянии.

1.4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МЕЖАТОМНЫХ И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

В зависимости от условий (температуры, давления) и химического строения полимеры могут находиться в четырех состояниях: вязко-текучем, высокоэластическом, стеклообразном, кристаллическом. Кроме того, в каждом из этих состояний наблюдается большое многообразие структур, образуемых биомакромолекулами.

Это многообразие структур определяется конкуренцией двух тенденций:

1)Стремление к максимуму энтропии: S®S_max.

2)Стремление к минимуму потенциальной энергии взаимодействия между атомами и молекулами:

Природа взаимодействия между атомами и молекулами – электрическая: взаимное притяжение положительно заряженных атомных ядер и отрицательно заряженных электронных облаков, а также отталкивание положительно заряженных атомных ядер друг от друга.

Но хотя природа всех типов межатомных и межмолекулярных взаимодействий электрическая, проявление этих электрических сил в разных типах связей разное. Разным типам связей соответствует разное пространственное распределение электрических зарядов.

Поэтому у разных типов связей разные свойства и разные энергии связи.