- •Биофизика (бф), как самостоятельная научная дисциплина. Предмет и задачи.
- •Биологические и физические процессы и закономерности в живых системах. Редукционизм и антиредукцианизм. Принцип качественной несводимости.
- •Основные направления развития современной биофизики. Уровни биофизических исследований.
- •Классификация тд систем; особенности живых организмов, как тд систем.
- •6. Характеристика тд функций, применяемых для анализа биолог процессов.
- •7. Внутренняя энергия, теплота и работа, как тд функции.
- •Первый закон тд в биологии; доказательства его применимости к живым системам. Своеобразие проявления первого закона тд в биосистемах.
- •Характеристика энтальпии системы как функция состояния. Тепловой эффект процесса.
- •Закон Гесса, его применимость к биопроцессам. Следствие закона Гесса, его практическое значение.
- •Формулировка второго закона тд. Своеобразие его проявления в биосистемах.
- •Энтропия как функция состояния системы. Связь энтропии с тд вероятностью состояния системы.
- •Уравнение второго закона тд. Понятие свободной и связанной энергии.
- •Доказательства применимости второго закона тд к биосистемам.
- •Теория Онзагера. Гетерогенность энтропии в биосистемах. Уравнение второго закона тд для открытых систем.
- •Теорема Пригожина и направленность эволюции биосистем. Энтропия и биологический прогресс.
- •Организм и клетка как химическая машина. Химический потенциал живой системы.
- •Критерии спонтанности, самопроизвольности протекания процессов в тд системах.
- •Применение тд в биологии: методы расчёта стандартной и реальной свободной энергии биохимических процессов. Свободная энергия Гиббса и Гельмгольца.
- •Потенциал переноса атомных группировок в различных трансферазных реакциях.
- •Понятие макроэргической связи. Характеристика атф как универсального аккумулятора энергии в биосистемах.
- •Причины высоких значений потенциала переноса при гидролизе ди- и полифосфатов. Разнообразие макроэргических соединений в биосистемах.
- •Типы энергетического обмена в биосистемах
- •Типы аккумуляции и пути расходования энергии в биосистемах. Тд сопряжение экзэргонической и эндэргонической стадии биопроцессов; примеры.
- •Тд характеристика анаэробного распада глюкозы. Расчёт кпд.
- •Тд характеристика окисления пировиноградной кислоты в цикле Кребса. Расчёт кпд.
- •Этапы уницикации энергетических субстратов в процессах катаболизма.
- •Современное представление о строении и переносе электронов в дыхательной цепи митохондрий.
- •Современные представления о механизме сопряжения окисления и фосфорилирования в биосистемах.
- •Разнообразие механизмов образование атф и их вклад в энергетику клетки.
- •Различные типы электрон-транспортных путей в живых организмах. Их роль в биоэнергетике клетки.
- •Биофизика фотосинтеза: физическая и физико-химическая стадии, квантовый выход. Расчёт кпд.
- •36. Элементарные кинетические уравнения. Скорость реакции. Константа равновесия обратимой реакции.
- •37. Факторы, определяющие скорость реакций биологических процессов.
- •38. Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ. Молекулярность реакций. Порядок реакций.
- •39. Различия скоростей превращения вещества в реакциях различного порядка.
- •40 Особенности кинетики биологических процессов. Кинет последовательно- и параллельно-протекающих реакций в многостадийном процессе.
- •41.Принцип обратной связи и лимитирующего звена (определяющей реакции) и их роль в регуляции скоростей протекания биологических процессов.
- •42 Зависимость скорости процесса от температуры. Анализ ур-ия Аррениуса.
- •43.Энергия активации реакции (процесса). Экспериментальной определение величины энергии активации.(см №42 тоже)
- •44 Особенности кинетики ферментативных реакций. Понятие об активности ферментов. Единицы измерения активности и количества ферментов.
- •45/ Основные положения теории ферментативной кинетики и общей теории механизма действия ферментов.
- •46/ Вывод и анализ уравнения Михаэлиса-Ментен для односубстратной ферментативной реакции.
- •47 Графическии анализ результатов кинетического исследования ферментативной реакции (v0 число "оборотов", Vmах,Кm).
- •48.Физический смысл основных кинетических характеристик ферментативной реакции (Vmax, Кm).
- •49/ Использование уравнения Лайнуивера-Берка для определения кинетических характеристик ферментативной реакции.
- •50/Кинетика ингибирования ферментативных реакций. Обратимое и необратимое ингибирование. Типы обратимого ингибирования.
- •51. Графический анализ конкурентного ингибирования по уравнению Лайнуивера-Берка
- •52. Графический анализ неконкурентного ингибирования по уравнению Лайнуивера-Берка
- •54 Предмет, задачи молекул.Биофизики. Методы исследования
- •55 Биополимеры как основа организации биоструктур, особенности строения, функции
- •56Типы взаимодействия в биополимерах
- •57Факторы стабильности пространственной структуры биологических макромолекул
- •58 Биофизика белков: строение полипептидной цепи, разнообразие типов пространственной структуры молекул
- •59 Физические свойства белков , денатурация, ренатурация. Биороль
- •60 Биофизика нуклеиновых кислот (нк):строение полипептидной цепи, особенности пространственной сьруктуры
- •61 Физические модели нуклеиновых кислот(нк), методы изучения днк и рнк
- •62 Физич. Свойства нк. Денатурация, ренатурация: механизм, качеств. И количеств характеристика, биологич. Роль. Метод молеклярной гибридизации.
- •63 Осмотическое давление биол. Жидкостей, его измерение; влияние поверхностной активности веществ на величину поверхностного натяжения, биологическая роль.
- •64. Поверхностное натяжение воды и биологических жидкостей, его измерение; влияние поверхностно активных веществ на величину поверхностного натяжения; биологическая роль.
- •65. Развитие представлений о строении биомембран; типы моделей мембран, их научное значение.
- •66.Биофизическая характеристика молекулярных компонентов мембран: белков, липидов, углеводов и их комплексов.
- •67.Вода как составной компонент биомембран: структура, свойства, биологическая роль.
- •68.Типы межмолек улярных взаимодействий в мембранах, их природа и роль в стабилизации мембранных структур.
- •69.Физические свойства биомембран. Подвижность компонентов мембраны (вращательное движение, латеральная и вертикальная диффузия).
- •70. Фазовые переходы в мембранах; факторы, инициирующие фазовые переходы мембран. Жидкие кристаллы в структуре мембран, их свойства.
- •71. Биофизическая характеристика мембранных липидов: строение, свойства, классификация
- •72.Искусственные мембраны, их строение, классификация, теоретическое и практическое значение. Отличие от природных мембран.
- •73. Монослой на границе раздела фаз. Липосомы и протеолипосомы. Бислойные липидные мембраны.
- •74. Проблема проницаемости и транспорта веществ через биомембраны. Методы исследования проницаемости.
- •75. Классификация и краткая характеристика типов транспорта веществ через биомембраны.
- •76. Диффузия как тип транспорта веществ через биомембраны; скорость и движущие силы диффузии. Закон Фика.
- •77. Проницаемость клеток для воды, электролитов и неэлектролитов. Физиологическая роль и практическое значение диффузии.
- •78. Облегченная диффузия и транслокация радикалов как типы транспорта веществ через биомембраны; движущие силы, механизмы, биологическая роль.
- •79.Активный транспорт молекул и ионов через биомембраны, его характеристика, свойства и функции.
- •80. Сходcтва и отличия активного транспорта и облегченной диффузии веществ через биомембраны. Доказательства наличия активного транспора в условиях in vitro.
- •81. Транспортные атф-азы, их классификация и роль в активном транспорте ионов. Представление о бионасосах.
- •82. Транспорт ионов кальция через биомембраны, его механизмы, регуляция и биологическая роль
- •83. Биоэлектрические явления: общая характеристика, классификация
- •84. Механизм возникновения электродных и ионных биопотенциалов, их измерение. Формула Нернста.
- •85. Мембранный потенциал и факторы, определяющие его величину.Передача нервного импульса по миелиновым и немиелиновым нервным волокнам.
- •86. Электрокинетический потенциал: возникновение, измерение и факторы, определяющие его величину. Примеры электрокинетических явлений, их характеристика и научно-практическое значение.
- •87. Общая характеристика механохимических процессов. Основные типы сократительных и подвижных систем.
- •88.Биофизическая характеристика мышечных и немышечных сократительных белков.
- •89.Основные характеристики поперечно-полосатой мышцы как механического преобразователя энергии; структура саркомеров, ее изменение при мышечном сокращении.
- •90.Молекулярные механизмы мышечного сокращения, его регуляция.
- •Биофизика (бф), как самостоятельная научная дисциплина. Предмет и задачи.
- •Биологические и физические процессы и закономерности в живых системах. Редукционизм и антиредукцианизм. Принцип качественной несводимости.
Тд характеристика окисления пировиноградной кислоты в цикле Кребса. Расчёт кпд.
Цикл трикарбоновых кислот открыт англ. биохимиком Г. Кребсом. Значение данного цикла: полного сгорания пирувата, главным источником кот. является гликолитическое превращение углеводов. В дальнейшем было показано, что цикл трикарбоновых кислот является тем центром, в котором сходятся практически все метаболические пути. Цикл Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе катаболизма большая часть орг. м-л, играющих роль «клеточного топлива»:углеводов, жирных кислот и аминокислот.
!!! Пример ферментативной р-ции: Фермент (E) + субстрат (S) → ES → P(уходит) + E (фермент остаётся). Относится к циклическим пр-сам, выгодно, т.к. затратно каждый раз делать новые ферменты, малодоступны, витамины.
ПВК (образовался при гидролитическом расщеплении глюкозы) окисляется до ацетил – СоА и СО2 при участии ферментов (они наз-ся пируватдегидрогеназный комплекс). Происходит окислительное декарбоксилирование ПВК. ∆G0 (свободная энергия)= -8 ккал/моль («-» т.к. выделяется).
Если в пpоцессе гликолиза (по данным A.L. Lehninger, 1972) пpи pаспаде 1 моля глюкозы высвобождается 50 ккал, или 208 кДж свободной энеpгии, то пpи окислительном pаспаде 1 моля глюкозы в ЦТК – около 689 ккал, или 2883 кДж свободной энеpгии.
Образуется 12 молекул АТФ при сжигании 1 молекулы ацетильного радикала.
Скорость протекания хим. процессов определяется уровнем температуры.
Цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из 8 последовательных реакций. В результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула оксалоацетата регенерируется.
Весь оборот цикла Кребса приводит к исчезновению одной молекулы ПВК, причем углерод и кислород выделяются в виде углекислого газа, а отщепляемый от органического субстрата водород подвергается дальнейшим превращениям, и в конечном счете, будучи энергетически обесцененным, соединяется с молекулярным кислородом, образуя воду.
ТД полного окисления глюкозы. Расчёт эффективности (КПД) биологического окисления глюкозы. (см. вопрос 24)
При окислении глюкозы до СО2 и Н2О высвобождается больше Е, чем при гликолизе. При гликолизе: глюкоза → 2 лактат- + 2Н+, ∆G0 (свободная энергия) = -47,0 ккал/моль («-» т.к. выделяется). При полном окислении: глюкоза + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О, ∆G0= -686 ккал/моль. При гликолизе лактат содержит ≈ 93% той Е, которая была заключена в исходной м-ле глюкозы. Т.к. молочная к-та – сложное соединение, при глиголизе не происходит реального окисления. Вся био доступная Е высвобождается из глюкозы лишь в том случае, если все водородные атомы, связанные с углеродом, будут удалены и заменены кислородом с обр-нием СО2.
Итог: 2 м-лы АТФ, 2 ПВК (дальнейшая судьба ПВК зависит от условий: если О2 нет - брожение), 2 НАД•Н + Н+ (источник протонов, накапливаются в перемитохондриальном пространстве), 80кДж накапливается (идет на синтез АТФ), остальная энергия рассеивается в виде тепла; 3) кислородный — (клеточное дыхание) дальнейшее превращение ПВК в условиях О2 происходит в митохондриях. Суть: полное окисление глюкозы до СО2 и Н2О. Стадии: 1) окислительное декарбоксилирование ПВК; 2) цикл Кребса = цикл трикарбоновых кислот . Итог 1 и 2: на 1 молекулу ПВК – 3 СО2 (в атмосферу), 8 НАД•Н + Н+, 1 ФАД•Н + Н+, 2 АТФ; 3) электрон-транспортная цепь. Условие – мембраны митохондрий не должны быть повреждены. Проходит на мембранах крист. Итог: запасается 55% энергии и 45 % рассеивается в виде тепла. 34 АТФ.
Суммарное уравнение всего энергетического обмена:
С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О + 38АДФ + 38Н3РО4 > 6СО2 + 12Н2О + 38АТФ.
При окислении глюкозы до СО2 и Н2О высвобождается больше Е, чем при гликолизе. При гликолизе: глюкоза > 2 лактат- + 2Н+, ?G0 (свободная энергия) = -47,0 ккал/моль («-» т.к. выделяется). При полном окислении: глюкоза + 6О2 > 6СО2 + 6Н2О, ?G0= -686 ккал/моль. При гликолизе лактат содержит ? 93% той Е, которая была заключена в исходной м-ле глюкозы. Т.к. молочная к-та – сложное соединение, при глиголизе не происходит реального окисления. Вся био доступная Е высвобождается из глюкозы лишь в том случае, если все водородные атомы, связанные с углеродом, будут удалены и заменены кислородом с обр-нием СО2.
Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Суммарное уравнение:
C6H12O6 + 2 АДФ + 2 Фн → 2СН3СН(ОН)СООН (молочная к-та) + 2АТФ + 2 Н2О.
Это уравнению можно разбить на 2: 1) глюкоза → 2 лактат- + 2Н+, ∆G1 (свободная энергия) = -47,0 ккал/моль («-» т.к. выделяется); 2) 2 АДФ + 2 Фн → 2АТФ + 2 Н2О, ∆G2 = +2 +7,3=+14,6 ккал/моль (т.к. требует затрат Е). Эти процессы сопряжены. Превращение 1 моль глюкозы в лактат в станд. усл. приводит к высвобождению гораздо большего кол-ва св. Е (47,0 ккал), чем необх. для обр. АТФ из АДФ (14,6 ккал). В живой кл. при истинных внутрикл. концентрациях АТФ, АДФ и Фн, глюкозы и лактата эффективность запасания высвобождающейся при гликолизе Е превышает 60%.
Определим общее изменение станд. свободной Е: ∆Gs= ∆G1 + ∆G2 = -47 +14.6 = -32.4 ккал/моль. => суммарная р-ция гликолиза сопровождается очень большим снижением свободной Е. При гликолизе лактат содержит ≈ 93% той Е, которая была заключена в исходной м-ле глюкозы. Т.к. молочная к-та – сложное соединение, при глиголизе не происходит реального окисления.Благодаря гликолизу организм чела и животных в определен. период может осуществлять ряд физиолог. функций в условиях недостаточности кислорода. КПД = 40% (36%), 80 кДж.