1.3 Уравнение электродиффузии ионов через мембрану в приближении однородного поля

Рассмотрим перенос заряженных частиц (ионов). В отсутствие градиента концентрации главная движущая сила при переносе ионов - электрическое поле. Если частица (ион) в водном растворе или внутри мембраны находится во внешнем электрическом поле с градиентом потенциала , то она будет двигаться. Соблюдение Ома для таких систем означает, что между скоростью движения частицы "u" и действующей силой имеется линейная зависимость:

где q - заряд частицы, b - подвижность носителя заряда (иона). Переходя к плотности тока j = qnu, где n - число частиц в единице объема, получаем в направлении оси "X":

.

Поток частиц "Ф" равен потоку электричества "j", деленному на заряд каждой частицы "q", то есть

(1)

Выразим "Ф" как функцию градиента термодинамического потенциала, так как q = ze (e - заряд электрона), таким образом, согласно E = z F(j₂ - j₁ ), где E - энергия электрического поля, F - число Фарадея, z - заряд иона.

F = N_A e, E = z e N_A(j₂ - j₁) = qN_A(j₂ - j₁),

тогда

, (G - свободная энергия), (2)

где N_A - число Авогардо.

Сопоставив (1) и (2), получаем:

где - молярная концентрация частиц (Кмоль/м ).

Это уравнение соблюдается и для явлений диффузии, и для электрофореза в однородном растворителе.

Теорелл (1954 г.) обобщил это выражение для случая, когда изменяется не только концентрация вещества "с" и потенциал "j", но и химическое сродство иона к окружающей среде "m₀" (в частности, к растворителю). Тогда уравнение потока принимает следующий вид (уравнение Теорелла):

(3)

где - электрохимический потенциал. То есть поток равен произведению концентрации носителя на его подвижность и на градиент его электрохимического потенциала. Знак "-" указывает на то, что поток направлен в сторону убывания .

Для однородной среды и учитывая значение , подставленное в (3) получается электродиффузное уравнение Нернста - Планка:

где R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура.

55. При возбуждении разность потенциалов между клеткой и окру­жающей средой изменяется, возникает потенциал действия. Он напоминает апериодические процессы, происходящие при зарядке и разрядке конденсатора. В нервных волокнах происходит распространение потенциала действия.

Механизм распространения потенциала действия по нервному волокну рассматривается в курсе нормальной физиологии. Матема­тическое описание этого процесса приводит к уравнению в частных производных(телеграфное уравнение), которое однотипно с уравне­нием, отражающим распространение электромагнитной волны по двухпроводной линии или по коаксиальному кабелю.

Здесь φ — внутриклеточный потенциал, измеряемый относительно потенциала покоя. Он зависит от расстояния х вдоль нервного волокна и времени t; р_а и р_м -удельные сопротивления со­ответственно аксоплазмы и мембраны; r- радиус нервного волокна; С_м - электроемкость единицы площади мембраны.

Наряду с некоторой формальной аналогией между волной воз­буждения (распространение потенциала действия по нервному волокну) и электромагнитной волной в двухпроводной линии меж­ду этими волнами имеется существенное принципиальное различие.

Электромагнитная волна, распространяясь в среде, ослабевает, так как растрачивает свою энергию. Имеет место диссипация энер­гии колебаний, т. е. превращение энергии колебаний (волн) в энер­гию молекулярно-теплового движения. Источником энергии элект­ромагнитной волны является источник этой волны: генератор, искра и т.п. Волна возбуждения не затухает, так как получает энергию из самой среды, в которой она распространяется (в рассматриваемом примере — энергия заряженной мембраны). Волны, получающие энергию из среды в процессе распространения, названы автоволнами, а среда — активной. Таким образом, распространение потенциала действия по нерв­ному волокну происходит в форме автоволны. Активной средой являются возбудимые клетки.

У позвоночных животных повышение скорости распространения возбуждения достигается миелинизацией волокон. Удельное сопро­тивление миелина больше, чем у других биологических мембран, толщина миелиновой оболочки в сотни раз превышает толщину обычной клеточной мембраны. Скорость распространения пропор­циональна и толщине, и удельному сопротивлению мембраны, поэ­тому она достаточно высока и у позвоночных животных. Нарушение миелиновой оболочки приводит к нарушению распространения потенциала действия по нервному волокну и, как следствие, к тяжелым нервным заболеваниям.

.

56. Избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер, называют ядерным магнитным резонансом (ЯМР).

Если два или несколько ядер в молекуле экранированы различ­но, т.е. ядра в молекуле занимают химически не эквивалентные положения, то они имеют различный химический сдвиг. Спектр ЯМР такой молекулы содержит столько резонансных линий, сколь­ко химически не эквивалентных групп ядер данного типа в ней имеется. Интенсивность каждой линии пропорциональна числу ядер в данной группе.

В спектрах ЯМР различают два типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту область при­менения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблю­дают узкие линии, и это называют ЯМР высокою разрешения.

По химическому сдвигу, числу и положению спектральных линий можно установить структуру молекул. Химики и биохимики широко используют метод ЯМР для ис­следования структуры от простейших молекул неорганических веществ до сложнейших молекул живых объектов, а также при решении многих задач, связанных с протеканием химических реакций, изучением структур исходных веществ и получающихся в результате реакций продуктов. Одним из преимуществ этого анали­за является то, что он не разрушает объектов исследования, как это происходит, например, при химическом анализе.

Очень интересные возможности для медицины может дать опре­деление параметров спектра ЯМР во многих точках образца. Пос­тепенно, послойно проходя весь образец (сканируя), можно полу­чить полное представление о пространственном распределении молекул, содержащих.

Все это осуществляется без разрушения образца, и поэтому можно проводить исследование на живых объектах. Такой метод называют ЯМР-интроскопией, он позволяет различать кости, сосуды, нормальные ткани и ткани со злокачественной патологией. ЯМР-интроскопия позволяет разли­чать изображение мягких тканей, например, отличает изображение серого вещества мозга от белого, опухолевых клеток от здоровых, при этом минимальные размеры патологических <включений> могут составлять доли миллиметра. Можно ожидать, что ЯМР-интроско­пия станет эффективным методом диагностики заболеваний, кото­рые связаны с изменением состояний органов и тканей.

Частота электромагнитных волн, вызывающих переходы между энергетическими состояниями при ЭПР и ЯМР, соответствует радиодиапазону.

57. Томография ядерного магнитного резонанса или Магнитно-резонансная томография (МРТ) - это метод отображения, используемый, главным образом, в медицинских установках, для получения высококачественных изображений органов человеческого тела. МРТ основана на принципах ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) поэтому и получила такое название. Метод был назван магнитно-резонансной томографией, а не ядерно-магнитной резонансной томографией (ЯМРТ) из-за негативных ассоциаций со словом "ядерный" в конце 1970-х годов. Во введении мы кратко говорили об истории появления этого метода медицинской диагностики. Напомним, что в 1946 году Блох и Парселл независимо открыли явление магнитного резонанса и в 1952 году оба были удостоены Нобелевской премии. В период с 1950 и до настоящего времени, ЯМР развивался и использовался для химического и физического молекулярного анализа на этом пути были получены чрезвычайно интересные результаты, которые широко использовались при исследовании сложных молекулярных соединений.  В 1973 году Лаутербур продемонстрировал отображение с использованием ЯМР и метода обратного проецирования, используемого в рентгеновской КТ. В 1975 году Эрнст предложил магнитно-резонансную томографию с использованием фазового и частотного кодирования, метод, который используется в МРТ в настоящее время. Эдельштейн с сотрудниками, используя этот метод, продемонстрировали отображение человеческого тела в 1980 году. Для получения одного изображения требовалось приблизительно 5 минут. К 1986 году время отображения было снижено до 5 секунд без какой-либо значимой потери качества. В том же году был создан ЯМР-микроскоп, который позволял добиваться разрешения 10 м на образцах размером в 1 см. В 1988 году Думоулин усовершенствовал МРТ-ангиографию, которая делала возможным отображение текущей крови без применения контрастирующих агентов. В 1989 году был представлен метод планарной томографии, который позволял захватывать изображения с видеочастотами (30 мс). В 1991 году за достижения в области импульсных ЯМР и МРТ Ричард Эрнст был удостоен Нобелевской премии по химии. И в 2003 году проф. П .Лаутербуру, Иллинойский университет, и проф. сэр П. Мэнсфилду, Нотингемский университет была вручена  Нобелевская премия по медицине.

Магнитно-резонансная томография основывается на поглощении и испускании энергии в радиочастотном диапазоне электромагнитного спектра. Из спектра затухания человеческого тела понятно, почему используются рентгеновские лучи, но почему же потребовалось так много времени для создания методики отображения при помощью радиоволн, особенно, если принять во внимание такую озабоченность здоровьем, связанную с ионизирующей радиацией, такой как рентгеновские лучи? Многим ученым говорили, что невозможно увидеть объект, меньше, чем длина волны излучения, используемого для получения изображения. МРТ преодолевает это ограничение за счет получения изображений, основанных на пространственных вариациях фазы и частоты радиочастотной энергии, поглощенной и испущенной отображаемым объектом.

В основном, человеческое тело состоит из жира и воды. Жир и вода состоят из множества атомов водорода, что делает человеческое тело состоящим на 63% из атомов водорода. Ядро атома водорода испускает ЯМР-сигнал. По этим причинам магнитно-резонансное изображение преимущественно отображает ЯМР-сигнал от ядер водорода. Если увеличить один из атомов водорода, то за электронным облаком мы увидим ядро содержащее единственный протон. Протон обладает свойством, называемое спином.

59. Денатурация белков (от лат. de- — приставка, означающая отделение, удаление и лат. nature — природа; не путать с лат. denaturatus — лишенный природных свойств) — термин биологической химии, означающий потерю белками их естественных свойств (растворимости, гидрофильности и др.) вследствие нарушения пространственной структуры их молекул.

Процесс денатурации отдельной белковой молекулы, приводящий к распаду её «жёсткой» трёхмерной структуры, иногда называют плавлением молекулы.

1. Структура белков

   1. Первичная структура белка

Под первичной структурой белка понимается последовательность аминокислот в полипептидной цепи (или цепях) и положение дисульфидных связей, если они имеются.

2. Вторичная структура белка

На этом структурном уровне описываются стерические взаимосвязи между расположенными близко друг к другу вдоль цеди аминокислотами. Вторичная структура может быть регулярной (альфа-спираль, складчатый бета-слой) или не обнаруживать никаких признаков регулярности (неупорядоченная конформация).

3. Третичная структура белка

Общее расположение, взаимную укладку различных областей, доменов и отдельных аминокислотных остатков одиночной полипептидной цепи называют третичной структурой данного белка. Четкой границы между вторичной и третичной структурами провести нельзя, однако под третичной структурой понимают стерические взаимосвязи между аминокислотными остатками, далеко отстоящими друг от друга по цепи.

4. Четвертичная структура белка

Если белки состоят из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными (не пептидными и не дисульфидными) связями, то говорят, что они обладают четвертичной структурой. Такие агрегаты стабилизируются водородными связями и электростатическими взаимодействиями, между остатками, находящимися на поверхности полипептидных цепей. Подобные белки называют олигомерами, а составляющие их индивидуальные полипептидные цепи – протомерами, мономерами или субъединицами. Многие олигомерные белки содержат два или четыре протомера и называются димерами или тетрамерами соответственно. Довольно часто встречаются олигомеры, содержащие более четырех протомеров, особенно среди регуляторных белков (транскарбамоилаза). Олигомерные белки играют особую роль во внутриклеточной регуляции: их протомеры могут слегка менять взаимную ориентацию, что приводит к изменению свойств олигомера. Наиболее изученный пример – гемоглобин.

61.

Одними из основных и определяющих являются электромагнитные поля (ЭМП) и излучения (ЭМИ) живого организма. Это связано с возникновением, движением и взаимодействием электрических зарядов в живом организме в процессе его жизнедеятельности. Электрические поля существующих электрических зарядов возникают при работе сердца и токе крови в сосудах, при нервных и мышечных сокращениях, генерируются при работе митохондрий в клетках и т.д. и тем самым отражают физиологическую активность различных биологических систем. В соответствии с теорией Максвелла для определения электромагнитных полей биологических объектов необходимо знать обобщенную диэлектрическую проницаемость и проводимость в биологических тканях и жидкостях.

Собственное ЭМП человека влияет на окружающую среду и может изменить энергию и направление движения свободных электронов, попадающих в область действия этого поля. На рис. показано распределение электрического поля в окрестности тела человека, возникающего за счет биоэлектрической активности сердца. Электрические явления характеризуются определенными последовательностями электрических импульсов и характерными ритмами. В каждом органе возникают свои специфические электрические колебательные процессы. В мозгу, находящемся в состоянии активности, регулярно проявляются a- волны, носящие ритмический характер, с частотой 9-10 Гц и потенциалом около 45 мкВ. Характер этих волн меняется в зависимости от бодрствования или сна.

Биоритмы проявляются на всех уровнях организации живой материи, от внутриклеточного до биосферы в целом []. Так, у растений наблюдается суточное движение листьев, годовой ритм растительности. У животных - периодичность двигательной активности, колебания температуры, секреции гормонов, синтеза РНК и т.д. Практически все виды деятельности организма - прием пищи и питья, дыхания и другие физиологические процессы - носят циклический автоколебательный характер.

Биологические ритмы физиологической функции настолько точны, что их часто называют «биологическими часами», о которых мы говорили в подразд. 2.1.5. Основной механизм этих часов в клетке - биохимические колебательные процессы. Можно отметить высокую степень временной упорядоченности процессов в живом организме и возможность синхронизации их под действием слабых внешних сигналов. В последнее время выяснилось, что существенное влияние на человеческий организм оказывают слабые поля, резонансные к ряду ритмов организмов, в частности на частотах 7 и 12 Гц. В целом гомеостаз живого организма обеспечивается когерентным взаимодействием всех колебательных процессов в нем и возможностью определенного резонанса биоритмов.

величина мембранного потенциала сильно влияет на весь ход физико-химических процессов в мембране, а значит и в клетке. Можно также сказать, что энергия, запасенная в виде электромагнитного поля в мембранах как своего рода конденсаторах, играет большую роль в поддержании того устойчивого неустойчивого равновесия, о котором мы говорили в главе 2.1. Ее можно рассматривать как резерв той свободной энергии, которая необходима живому организму для функционирования и развития, наряду с энергией АТФ и перекисного окисления липидов. Процессы нервного и мышечного возбуждения связаны с изменениями потенциала и протеканием биотоков.

Следует также отметить, что биоток обусловлен не только движением электронов, но главным образом ионов, участвующих в биохимических реакциях живого организма. В связи с этим возрастает роль поляризации клеток и биополимерных молекул, а также структуры воды в метаболических процессах, причем избирательная проницаемость воды будет зависеть от состояния жидкости в различных системах биологического объекта.

Кроме того, важны реологические свойства крови. Изменение электрических свойств живых организмов связано с перераспределением зарядов в организме при движении этих зарядов, в том числе в потоке крови. Кровь представляет собой жидкость, движущуюся по кровеносным сосудам и состоящую из плазмы и форменных (клеточных) элементов. Форменные элементы (эритроциты, лейкоциты и тромбоциты) взвешены в плазме. Эритроциты содержат гемоглобин и углекислоту. Лейкоциты ответственны за иммунно-защитную функцию и уничтожение элементов чужеродных для данного живого организма веществ. Тромбоциты играют основную роль в процессе свертывания крови.

На поверхности кожи тоже может возникать биопотенциал, который связан как с внутренними электрическим полями, так и с трибоэлектрическим зарядом, возникающим из-за трения эпидермиса кожи. Эти потенциалы также отражают физиологические процессы в организме и могут быть зафиксированы соответствующей физической аппаратурой. Например, в так называемых биологически активных точках (БАТ) наблюдается значительное усиление электрического поля. Это широко используется в методах акупунктуры и электроакупунктуры для воздействия на определенный орган или процесс в живом организме.