ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.П. ОГАРЁВА»

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО БИОФИЗИКЕ И ФИЗИОЛОГИИ

САРАНСК

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОРДОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2010

Лабораторный практикум по биофизике и физиологии: Методические указания для студентов биологического факультета / Мордовский гос.ун-т; Сост. В.В. Ревин, Э.С. Ревина, Е.Г. Костина. - Саранск, 2010.

В методическом пособии дается описание лабораторных работ по основным разделам курса «Биофизика» и по физиологии возбудимых тканей по курсу «Физиология человека и животных». Данное пособие рекомендовано для студентов биологического факультета специальностей «Биология», «Биоэкология», «Биохимия» и «Биотехнология».

Введение

В последние годы для решения как фундаментальных, так и прикладных задач отводится биофизике. Биофизика – это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающих в биологических системах на молекулярном, клеточном и организменном уровнях. Данная наука относительно молодая. Она возникла на стыке наук между физикой, химией и биологией. На сегодняшний день она оперирует различными методами исследований, к которым в свою очередь предъявляются высокие требования. Применение биофизических методов должно предполагать сравнительно небольшое количество исследуемого биологического материала. Методы должны также обладать высокой чувствительностью и позволять проводить исследования в условиях, близких к естественным.

Результаты биофизических исследований ложатся в основу анализа конкретных физических процессов и биологических явлений, что можно наблюдать в биохимии, мембранологии, физиологии и т.д. Развитие биофизики в свою очередь стимулирует прогресс определенных направлений физики, химии, математики. Полученные биофизикой результаты позволяют вскрыть механизмы физиологических процессов и объяснить причины наблюдаемых биологических явлений.

I. Биофизика

________________________________________________________________

Лабораторная работа №1 Изучение энергии активации биологических процессов на примере работы Na-, к-атф-азы

Живой организм представляет собой открытую систему, которая постоянно обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Вещества, попадающие в организм извне, вступают в сложный процесс физико-химических превращений. В скорость их в отдельных органоидах, клетках и в целом организме играет решающую роль в регулировании жизненного процесса. В связи с этим важное значение приобретает изучение закономерностей протекания в организме химических реакций.

Биологическая кинетика изучает скорость биологических процессов и ее зависимость от концентрации веществ, участвующих в биологических превращениях, а также от внешних условий, в частности от температуры. Такая зависимость понятна, если учесть, что любое химическое превращение, происходит при условии соударения молекул, находящихся в беспорядочном тепловом движении. По мере повышения температуры увеличивается длина пробега молекул и, следовательно, вероятность их столкновения друг с другом. Таким образом, относительное количество молекул, с повышением температуры увеличивается, как и скорость реакции.

Величину, показывающую, во сколько раз возрастает количество активных молекул (а, следовательно, и скорость реакции) при повышении температуры на 10⁰С, называют температурным коэффициентом и обозначают символом Q₁₀ (коэффициент Вант-Гоффа).

Между величиной температурного коэффициента реакции Q₁₀ и той избыточной энергией, которой должны обладать молекулы, чтобы их соударение привело к химической реакции (как называемой энергией активации Е), существует зависимость, которую выражают формулой

Е=0,46•Т₁•Т₂•lgQ₁₀, (1.1)

где Е – энергия активации, кДж; Т₁ и Т₂ – температуры, выраженные в градусах абсолютной шкалы с разницей в 10⁰С (Т₂= Т₁+10); lgQ₁₀ – десятичный логарифм температурного коэффициента (Т⁰К=t⁰С+273⁰).

Приведенной формулой пользуются для определения энергии активации биологических процессов, в том числе секреции желез, пульсации сократительных вакуолей простейших, сокращения мышц и т.д. Для вычисления энергии активации какого-либо биологического процесса необходимо:

1) определить его скорость при двух температурах – Т₁ и Т₂;

2) найти величину Q₁₀, разделив значение скорости, полученное при Т₂, на число, полученное при Т₁;

3) найти по таблице логарифмов десятичный логарифм Q₁₀ и подставить в формулу (1.1) значение в градусах абсолютной шкалы.

Энергия активации рассчитывается не только для отдельных реакций и процессов, но и для клеточного и органоидного уровня.

Проведем расчет энергии активации мембраносвязанного фермента Na-,K-АТФ-азы (молекулярный уровень) при разных температурах.