Биофизика курс лекций
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
А.А. Присный БИОФИЗИКА курс лекций Белгород 2008 1 Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Белгородский государственный университет» А.А. Присный БИОФИЗИКА: курс лекций Учебное пособие Белгород 2008 2 УДК 577.3.001.57 ББК 28.9 П 77 Печатается по решению редакционно-издательского совета Белгородского государственного университета Р е ц е н з е н т ы : кандидат биологических наук, зав. кафедрой общей, неорганической и аналитиче- ской химии БелГУ Н.Г. Габрук кандидат биологических наук, доцент кафедры промышленной экологии БГТУ им. В.Г. Шухова М.И. Василенко Присный А.А. П77 Биофизика: курс лекций: учебное пособие. – Белгород, 2008. - В курсе лекций рассмотрены основные вопросы биофизики в русле учебной программы, построенной в соответствии с системой физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. Пособие составлено в соответствии с типовой программой курса «Биофизика» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 020200 Биология. В курсе лекций представ- лены разделы современной биофизики: молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика сложных систем. Учебное пособие предназначено для студентов биологических специальностей универси- тетов и в качестве дополнительной литературы для студентов медицинских вузов. УДК 577.3.001.57 ББК 28.9 © А.А. Присный 3 Предисловие Курс «Биофизика» является базой фундаментального курса наук о жизни. В этом качестве биофизика является необходимой для специалистов- небиофизиков, в частности для биологов. Биофизика – это наука, включающая теоретические построения и мо- дели, основанные на современных физико-химических представлениях. Они отражают физические особенности молекулярной организации и элементар- ных процессов живого, которые в свою очередь создают молекулярную ос- нову биологических явлений. Изложение полного курса биофизики требует обширного биологического материала, а также дополнительного привлече- ния современных представлений физики, химии, математики. Предлагаемая дисциплина предназначена для формирования у студентов целостного есте- ственнонаучного мировоззрения и приобретения ими специальных навыков использования физических методов в биологических исследованиях. Цель курса – дать студентам базовую систему знаний о физических принципах, механизмах и моделях функционирования биологических систем. В соответствии с рекомендациями Международного союза прикладной и чистой биофизики, эта дисциплина включает в себя молекулярную биофи- зику, биофизику клетки и биофизику сложных систем. Такая градация обяза- тельна для научных исследований в области биофизики. Сегодня биофизика неразрывно связана с теоретической биологией. В связи с этим, в курсе лекций уделяется внимание основным вопросам пове- дения биологических систем на разных уровнях организации. В представлен- ном учебном пособии излагаются, главным образом, теоретические основы биофизики. Одновременно уделено надлежащее внимание важным экспери- ментальным фактам. Автор надеется, что эта книга окажется полезной не только для студен- тов, но и для магистрантов, аспирантов, биологов, химиков и физиков, зна- комящихся с биофизикой. В основу положен курс, читаемый на протяжении ряда лет студентам биолого-химического факультета Белгородского государственного универси- тета. 4 Лекция 1. ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧИ И СТАНОВЛЕНИЕ БИОФИЗИКИ Биофизика – это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и яв- ляющиеся основой физиологических актов. Возникновение биофизики про- изошло, как прогресс в физике, вклад в развитие этой науки внесли матема- тика, химия и биология. Первым, кто сказал, что живые объекты подчиняются тем же законам и содержат те же частицы материи, что и неживые, был греческий философ Эпикур (примерно 300 лет до нашей эры). Существенный вклад в физиоло- гическую оптику сделали грек Гален и его комментатор египтянин Алхазени. Они правильно описали возникновение изображения на сетчатке. Их работы были продолжены и развиты великим Леонардо да Винчи (1452-1519). Суще- ственный вклад в будущую биофизическую науку внес один из учеников Га- лилея – Джованни Борелли. Он детально описал структуру и работу мышцы животных. Однако наиболее важные биофизические исследования начались с работ Луиджи Гальвани. Л. Гальвани (1737-1798), профессор университета в Болонье, обнару- жил в 1780 году странное явление. Он изучал препарат мышцы лягушки, ко- гда один из его помощников случайно коснулся нерва лягушки скальпелем. Это привело к сильному сокращению всей мышцы. Другой сотрудник Галь- вани заметил, что это явление наблюдается только, когда рядом с препаратом находилась дающая искры «электрическая машина». С этого момента Галь- вани начал свои знаменитые эксперименты по «животному электричеству». Главный эффект был открыт, когда Гальвани обнаружил, что то же явление наблюдается, если спиной мозг лягушки соединить с другими частями пре- парата металлической проволокой. Среди других важных характеристик это- го эффекта Гальвани отметил, что сокращение мышцы усиливается, если проволока состоит из двух разных металлов. Это означает, что Гальвани от- крыл не только «животное» электричество, но и то, что теперь называется контактным потенциалом (потенциалом Гальвани), возникающим при кон- такте двух металлов с разными значениями «работы выхода» (энергия, тре- буемая для выхода электрона из металла). Гальвани, однако, не обратил вни- мания на этот результат. Его главный (и вполне правильный) вывод заклю- чался в том, что животное электричество имеет ту же природу, что и «ма- шинное». Алессандро Вольта (1745-1827) сначала не поверил результатам Галь- вани. После воспроизведения их, однако, он по собственному утверждению перешел от недоверия к их полному признанию. Тем не менее, Вольта не разделял взглядов Гальвани на «животное электричество» и считал лягушку просто чувствительным электрометром. Вольта продолжал свои исследова- ния, достиг больших успехов в экспериментальном и теоретическом изуче- нии контактного потенциала, создал «вольтаический столб», стал процве- тающим и знаменитым профессором. Дискуссии между последователями обоих ученых продолжались до 1844 года, когда Карл Маттеучи опубликовал несколько статей, доказываю- 5 щих существование биологического электричества с теми же свойствами, что и обычное «металлическое». Исследования Гальвани создали два направления в науке: электриче- ские явления в живой материи на разных уровнях организации и статическое электричество в физике. Следующим принципиальным шагом было появление знаменитой «зе- леной тетради», опубликованной в 1935 году Тимофеевым-Ресовским, Цим- мером и Дельбрюком. В этой экспериментальной работе, сопровождаемой глубоким теоретическим анализом, были получены два существенных ре- зультата: 1. Скачкообразное изменение гена под действием ионизирующего из- лучения имеет квантовую природу, начинается с образования неравновесных энергизованных состояний гена и сравнительно редко приводит к наследуе- мым изменениям (мутациям) в атомной структуре гена. 2. Ген представляет собой небольшую компактную структуру, состоя- щую примерно из 103 атомов. Следующим фундаментальным шагом было открытие двойной спирали ДНК орнитологом Джеймсом Уотсоном и физиком Френсисом Криком. В конце 1940 - начале 1950-х годов началось создание теории инфор- мации и применение ее в термодинамике и биофизике. Следующим важным шагом была разработка И. М. Лившицем нового подхода к статистической физике биополимеров, как к частично неравновес- ным (в кинетическом смысле) системам. Работа Лившица создала новую гла- ву статистической физики: статистическая физика неупорядоченных систем, образующих, тем не менее, совокупность идентичных объектов. В 1961 году был создан Международный союз чистой и прикладной биофизики (IUPAB), и началась эра периодических Международных биофи- зических конгрессов. В связи с этим были сформулированы задачи биофизи- ки и определены разделы биофизики. Задачи биофизики: 1. Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравно- весных систем. Теоретическое обоснование термодинамических основ жизни. 2. Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития, саморегуляции и самовоспроизведения. 3. Выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополимеров и других биологически активных веществ. 4. Создание и теоретическое обоснование физико-химических методов исследования биообъектов. 5. Физическое истолкование обширного комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокраще- ние, рецепция, фотосинтез и др.) Разделы биофизики: 1. Молекулярная – изучает строение и физико-химические свойства, биофизику молекул. 6 2. Биофизика клетки – изучает особенности строения и функциониро- вания клеточных и тканевых систем. 3. Биофизика сложных систем – изучает кинетику биопроцессов, пове- дение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и тер- модинамику биосистем. Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические свой- ства биологически функциональных молекул, прежде всего биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. Задачи молекулярной биофизики состоят в раскрытии физических механизмов, ответственных за биологическую функ- циональность молекул, например за каталитическую активность белков- ферментов. Молекулярная биофизика – наиболее развитая область биофизи- ки. Она неотделима от молекулярной биологии и химии. Крупные успехи в этой области понятны – легче изучать молекулы (даже наиболее сложные из известных науке молекулы белков), чем клетки или организмы. Молекуляр- ная биофизика опирается, с одной стороны, на биолого-химические дисцип- лины (биохимия, молекулярная биология, биоорганическая и бионеорганиче- ская химия), с другой, на физику малых и больших молекул. Поскольку глав- ные задачи молекулярной биофизики относятся к структуре молекул и их функциональности, мы можем рассматривать равновесные свойства молекул. Теоретический аппарат молекулярной биофизики – равновесная термодина- мика, статистическая механика и, конечно, квантовая механика, поскольку речь идет о химии, о молекулах. Для экспериментального исследования био- логически функциональных молекул применяется широкий арсенал физиче- ских методов. Это, во-первых, методы, употребляемые в физике макромоле- кул для определения их молекулярных масс, размеров и формы – седимента- ция в ультрацентрифуге, рассеяние света и рассеяние рентгеновских лучей растворами исследуемых веществ и т. д. Во-вторых, методы исследования структуры молекул, основанные на взаимодействии вещества со светом, на- чиная с рентгеновских лучей и заканчивая радиочастотным излучением. Ме- тоды оптики и спектроскопии, в широком смысле этих слов, включают рент- геноструктурный анализ, резонансную спектроскопию (эффект Мёссбауэра), электронные и колебательные спектры, т. е. спектры поглощения и люминес- ценции в ультрафиолетовой и видимой областях, инфракрасные спектры и спектры комбинационного рассеяния. Сюда же относится спектрополяримет- рия, т. е. исследования естественного и магнитного вращения плоскости по- ляризации света и кругового дихроизма. Очень ценную информацию дают спектры ядерного и электронного парамагнитного резонансов (ЯМР и ЭПР). В случае ЭПР особенно важно применение парамагнитных спиновых меток. В-третьих, методы калориметрии, применяемые для изучения превращений биологических макромолекул. И, наконец, прямое изучение структуры бел- ков и нуклеиновых кислот (а также, конечно, надмолекулярных структур, клеточных органоидов и клеток) посредством электронной микроскопии. Применение ряда этих методов в биологии специфично. Молекулярная биофизика естественно переходит в биофизику клетки , изучающую строение и функциональность клеточных и тканевых систем. 7 Эта область биофизики является самой старой и традиционной. Ее главные задачи связаны сегодня с изучением физики биологических мембран и био- энергетических процессов. Биофизика клетки включает изучение генера- ции и распространения нервного импульса, изучение механохимических про- цессов (в частности, мышечного сокращения), изучение фотобиологических явлений (фотосинтез, рецепция света, зрение, биолюминесценция). В этой области также применяются уже перечисленные экспериментальные методы. Биофизика клетки имеет дело с более сложными задачами и встречается с большими трудностями по сравнению с молекулярной биофизикой. Биофизикой сложных систем условно называется преимущественно теоретическая область биофизики, посвященная рассмотрению общих физи- ко-биологических проблем и физико-математическому моделированию био- логических процессов. Как правило, при исследовании биологических систем выделяют два направления: - изучение формы и многообразия живого – этим занимаются анатомия, морфология, гистология и цитология; - изучение процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма, т. е. поступление, распределение и выведение веществ, метаболизм, синтез, а также энергообеспечение этих процессов – этим занимаются физиология, биохимия и биофизика. Конечная цель изучения биологической системы – расшифровка меха- низмов функционирования организма, выявление взаимосвязанных измене- ний структуры и функции на всех уровнях – от субклеточного до популяци- онного. Биофизика является биологической дисциплиной, изучающей физи- ко-химические взаимодействия в самом широком аспекте. Возникновение биофизики во многом связано с вопросами, поставлен- ными физиологией. Физиология исследует функции органов, место и роль этих функций в обеспечении жизнедеятельности, в то время как задача био- физики – изучение первичных механизмов, лежащих в основе физиологиче- ских функций. Значительная часть биофизических исследований выполнена на суб- клеточном и молекулярном уровнях, поэтому биофизика чаще, чем другие биологические дисциплины, использует результаты и методы физики, химии и физической химии. Это важно для понимания основополагающих биологи- ческих процессов. В первичных процессах, лежащих в основе физиологиче- ских функций, обнаруживается большое сходство, и данными процессами занимается биофизика. Поэтому можно считать, что биофизика не имеет сво- его постоянного объекта, а имеет предмет исследования. Таким образом, физиология непосредственно связана с данным видом объектов исследования, а биофизика изучает физико-химические процессы, присущие разным видам живого. Целью биофизического исследования является первичный механизм функционирования, как отдельной клетки, так и ее органелл и молекул при естественных условиях функционирования биосистемы. 8 Перечислим основные современные разделы теоретической биофизики сложных систем. 1. Общая теория диссипативных нелинейных динамических сис- тем – термодинамика необратимых процессов и кинетическое моделирова- ние. 2. Теория возбудимых сред, частью которой является теория биологи- ческих колебательных процессов. 3. Общетеоретическая трактовка биоэнергетических явлений. 4. Общая теория и моделирование процессов биологического развития – эволюции, онтогенеза, канцерогенеза, иммунитета. 9 Лекция 2. КИНЕТИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Биологические системы обладают свойствами саморегуляции, то есть способностью перестраиваться в зависимости от внешних воздействий так, чтобы сохранился оптимальный уровень их функционирования. Существуют различные способы регуляции жизнедеятельности клетки, которые можно условно отнести к генетическому, биохимическому и физио- логическому уровням регуляции. В пределах каждого из них действуют ме- ханизмы, в основе которых лежит последовательность конкретных метабо- лических процессов. Понять динамические свойства этих регуляторных ме- ханизмов можно лишь на основе общесистемного подхода, рассматривающе- го поведение каждого из элементов сложной системы как результат его взаи- модействия с остальными элементами. Одним из наиболее развитых подходов для решения этой проблемы в современной биофизике является математическое моделирование. В соответ- ствующих кинетических моделях отражена динамика изменения концентра- ций различных составных элементов биологической системы, которая опре- деляется скоростями отдельных элементарных реакций. Биологическая кинетика В основе процессов обмена клетки со средой и внутреннего метабо- лизма лежит сложная сеть различных реакций, организованных определен- ным образом во времени и пространстве. В результате этих процессов изме- няются концентрации различных веществ, численность отдельных клеток, биомасса организмов, могут изменяться и другие величины, например вели- чина трансмембранного потенциала в клетке. Изменения всех этих перемен- ных величин во времени и составляют кинетику биологических процессов. Основные исходные предпосылки при описании кинетики в биологических системах, в общем, такие же, как и в химической кинетике. Рассмотрим простейший пример замкнутой популяции клеток, в кото- рой одновременно происходят процессы размножения и гибели и в избытке имеются питательные вещества. Возникает вопрос, как меняется численность клеток в такой системе со временем и может ли в ней, в конце концов, уста- новиться стационарное состояние, когда число клеток меняться не будет. Это типичная кинетическая задача, которая решается с помощью обычных диф- ференциальных уравнений. Пусть в некоторый момент времени t концентра- ция клеток в среде составит N. Скорость dN/ dt изменения концентрации кле- ток в среде складывается из скорости их размножения V размн и скорости гибе- ли V гиб : dt dN = V размн – V гиб В простом случае скорость размножения, то есть увеличение концен- трации клеток в единицу времени, пропорциональна их численности в каж- дый момент: V размн = k 1 N, где k 1 – константа пропорциональности, зависящая от условий среды (температура, наличие питательных веществ и др.). Аналогично |