Главная страница

Лекция Биофизика. Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие


Скачать 1.98 Mb.
НазваниеЛекции по биофизике учебнометодическое пособие
АнкорЛекция Биофизика
Дата21.03.2021
Размер1.98 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаЛекции по биофизике.pdf
ТипЛекции
#186920
страница1 из 18
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНСТВА ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И
СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ»
И.В. Ковалев, И.В. Петрова, Л.В. Капилевич, А.В. Носарев, Е.Ю. Дьякова
ЛЕКЦИИ ПО БИОФИЗИКЕ
Учебно-методическое пособие
Под редакцией проф. Баскакова М.Б.
Томск 2007

2
УДК: 577.3(042)(075)
ББК: E901я7
Л: 436
И.В. Ковалев, И.В. Петрова, Л.В. Капилевич, А.В. Носарев, Е.Ю. Дьякова.
Лекции по биофизике: Учебно-методическое пособие / Под редакцией проф.
Баскакова М.Б.– Томск, 2007. –
175
с.
Пособие предназначено для студентов 3-5 курсов медико-биологического факультета и студентов 1 и 2 курса фармацевтического факультета Сибирского государственного медицинского университета. Им могут также пользоваться студенты медицинских вузов и биологических специальностей университетов, самостоятельно изучающие основы биофизики.
В пособии систематически изложен теоретический и фактический материал курса общей биофизики, биофизики клетки и биофизики органов и систем.
Печатается по постановлению методической комиссии фармацевтического факультета (протокол №1 от 12.11.2006 г.) Сибирского государственного медицинского университета.
Рецензенты:
© Сибирский государственный медицинский университет, 2007

3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ ............................................................................... 6
I. ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ....................... 11
Основные понятия термодинамики. .............................................................. 11
Законы термодинамики ................................................................................... 12
Неравновесная термодинамика ...................................................................... 16
Задачи .................................................................................................................. 20
Тест–задания ...................................................................................................... 21
II. КИНЕТИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ..................................... 25
Введение .............................................................................................................. 25
Молекулярность и порядок реакции ............................................................. 25
Кинетика реакции нулевого порядка ............................................................ 26
Кинетика прямой реакции первого порядка ................................................ 26
Кинетика обратимой реакции первого порядка .......................................... 26
Кинетика реакции второго порядка............................................................... 27
Сложные реакции ............................................................................................. 28
Зависимость скорости реакции от температуры.......................................... 30
Кинетика ферментативного катализа............................................................ 32
Задачи .................................................................................................................. 37
Тест–задания ...................................................................................................... 39
III. КВАНТОВАЯ БИОФИЗИКА ....................................................................... 42
Классификация и стадии фотобиологических процессов ........................... 42
Природа света и его физические характеристики. Понятие кванта.
Орбитальная структура атомов и молекул и энергетические уровни. ........ 42
Взаимодействие света с веществом ................................................................ 43
Пути размена энергии возбужденного состояния молекулы ...................... 45
Люминесценция (флюоресценция и фосфоресценция), ее механизмы,
законы и методы исследования....................................................................... 45
Миграция энергии. Виды и условия миграции. Правила Ферстера ......... 46
Фотохимические реакции. Законы фотохимии ............................................ 47
Задачи .................................................................................................................. 48
Тест–задания ...................................................................................................... 49
IV. МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА ............................................................. 53
Предмет молекулярной биофизики ................................................................ 53
Методы исследования биомакромолекул ...................................................... 53
Силы внутримолекулярного взаимодействия биомакромолекул ............. 59
Пространственная структура белка ............................................................... 62
Тест–задания ...................................................................................................... 64
V. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОМЕМБРАН............................................ 67

4
Введение .............................................................................................................. 67
Функции биологических мембран .................................................................. 67
Химический состав мембран ........................................................................... 68
Липид–липидные взаимодействия. Динамика липидов в мембране ........ 69
Белки мембраны и их функции....................................................................... 71
Модель биологических мембран ..................................................................... 73
Сигнальная функция биологических мембран ............................................ 75
Тест–задания ...................................................................................................... 78
VI. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ ...................................... 81
Классификация видов транспорта ................................................................. 81
Методы изучения транспорта ......................................................................... 82
Пассивный транспорт и его виды ................................................................... 82
Активный транспорт ........................................................................................ 86
Задачи по IV – VI разделам .............................................................................. 87
Тест–задания ...................................................................................................... 88
VII. ПАССИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТОВ ........................................................................................................... 91
Общие положения ............................................................................................. 91
Действие постоянного электрического тока на биологические объекты.
ЭДС поляризации .............................................................................................. 92
Статическая и поляризационная емкость..................................................... 93
Виды поляризации в биологических тканях ................................................ 94
Проводимость биологических объектов для переменного тока ................ 94
Тест–задания ...................................................................................................... 98
VIII. БИОФИЗИКА ЭЛЕКТРОВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ.
ЭЛЕКТРОГЕНЕЗ ............................................................................................... 101
Общие положения ........................................................................................... 101
Электродный потенциал ................................................................................ 101
Диффузионный потенциал ............................................................................. 102
Доннановское равновесие .............................................................................. 102
Ионная теория электрогенеза Бернштейна ................................................. 103
Теория постоянного поля и потенциал покоя (ПП) ................................... 104
Потенциал действия (ПД) .............................................................................. 105
Современные методы регистрации биопотенциалов ................................ 106
Ионная природа потенциала действия (ПД). Формальное описание
ионных токов ................................................................................................... 108
Проведение возбуждение по нервным волокнам ....................................... 113
Задачи по разделам VII - VIII ........................................................................ 117
Тест–задания .................................................................................................... 118
IX. БИОФИЗИКА СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ.................................. 121
Общие положения ........................................................................................... 121

5
Электрические синапсы ................................................................................. 122
Химический синапс ......................................................................................... 122
X. БИОФИЗИКА СОКРАЩЕНИЯ .................................................................. 127
Введение ............................................................................................................ 127
Скелетные мышцы ......................................................................................... 127
Молекулярные механизмы мышечного сокращения................................ 130
Биомеханика скелетной мышцы .................................................................. 131
Миокард ............................................................................................................ 133
Гладкая мускулатура ...................................................................................... 140
Тест–задания .................................................................................................... 148
XI. БИОФИЗИКА КРОВООБРАЩЕНИЯ ...................................................... 151
Введение. Классификация сосудистого русла ............................................. 151
Энергетика кровообращения ........................................................................ 152
Основные положения гемодинамики. Закон Гагена–Пуазейля ............... 153
Применимость закона Гагена–Пуазейля ..................................................... 154
Задачи ................................................................................................................ 154
XII.БИОФИЗИКА ДЫХАНИЯ ........................................................................ 156
Введение ............................................................................................................ 156
Основные объемы и емкости легкого .......................................................... 156
Основной уравнение биомеханики дыхания. Уравнение Родера ............ 157
Работа дыхания ............................................................................................... 160
Тест–задания по разделам XI – XII ............................................................... 161
XIII. БИОФИЗИКА ВСАСЫВАНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ ............................... 164
Введение ............................................................................................................ 164
Ассиметричный эпителий и его функции ................................................... 164
Методы изучения трансцеллюлярного транспорта ................................... 166
XIV. БИОФИЗИКА АНАЛИЗАТОРОВ .......................................................... 167
Общие положения ........................................................................................... 167
Орган зрения .................................................................................................... 168
Орган слуха ...................................................................................................... 170
Задачи ................................................................................................................ 172
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................. 174

6
ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ
Предмет биофизики
Как самостоятельная наука биофизика возникла в 1966 году, когда был организован международный научный союз биофизиков, и появилось следующее определение этой науки: «Биофизика представляет собой особую
ориентацию мысли». Тем не менее, дискуссия о сути биофизики, как науки, продолжается и до сегодняшнего дня.
Биофизика возникла на стыке биологии и физики и, в силу этого, состав биофизиков всегда был неоднороден. До сих пор просматриваются два направления в развитии биофизики, и их ассимиляция происходит не всегда гладко. Так, с одной стороны, физические явления жизнедеятельности принимаются за самостоятельный предмет изучения в отрыве от их биологического значения, и нередко все проявления жизни сводятся к физическим закономерностям. С другой стороны, наоборот, предполагается, что наряду с физическими закономерностями живым системам присущи особые свойства, в принципе необъяснимые с точки зрения физики. По этим причинам определения биофизики несут нередко диаметрально противоположный характер. Например:
«Биофизика – это физическая химия и химическая физика биологических процессов» (П.О.Макаров, 1968).
«Биофизика – физика явлений жизни, изучаемых на всех уровнях»
(Волькенштейн, 1981).
И в то же время:
«Биофизика – часть биологии, имеющая дело с физическими принципами построения и функционирования некоторых сравнительно простых биологических систем» (Л.А.Блюменфельд, 1977).
Приведенные формулировки определяют по сути два подхода к биофизике, основанных на противоположных методологиях этих подходов.
Аргументы «физиков» чаще всего сводятся к тому, что многие сложные биологические процессы хорошо укладываются в рамки сравнительно простых математических моделей
(ферментативный катализ, фотоинактивация ферментов, популяционная модель «хищник-жертва»).
Сторонники «биологического» подхода утверждают, что в живых системах можно найти множество явлений, не присущих неживой природе. Основным предметом этой затянувшейся дискуссии является вопрос «Сводятся ли все проявления жизни к физико-химическим закономерностям?»
Методологической основой решения данного вопроса стал принцип качественной несводимости. Он предполагает, что по мере накопления научных знаний будут предлагаться физико-химические объяснения биологических проблем и, в то же время, обнаруживаться новые знания о живой природе, не объяснимые на данном этапе с точки зрения физики. Главное практическое следствие из принципа качественной несводимости – лишь «качественный сплав» методов физики и биологии может обеспечить биофизике продвижение

7 вперед. Отсюда наиболее рациональным, на наш взгляд, является определение биофизики, предложенное Н.И. Рыбиным (1990):
«Биофизика – естественнонаучное направление, целью которого является
рациональное объяснение связи физического и биологического аспектов живой
материи».
История развития биофизики
Можно утверждать, что свою историю биофизика начинает вести с фундаментального трактата Цицерона (II-III век н.э.) «Физиология». Это название происходит от слова физика – так тогда называли науку о природе.
Науку же о живой природе Цицерон назвал физиологией. Такое название уже свидетельствует о большой роли физики в формировании науки о жизни.
Изучение физических свойств биологических объектов началось в XVII веке – с тех пор, когда были заложены основы первого раздела физики – механики. В биологии в то время наиболее интенсивное развитие получила анатомия. В этот период опубликованы работы У. Гарвея (1628)
«Кровообращение»; Р. Декарта (1637) «Диоптика»; Дж. Борелли (1680) «О движении животных», в которых были представлены основы биомеханики. В
1660 году А. Левенгук изобрел микроскоп, который сразу же нашел широчайшее применение в биологических исследованиях, став, по сути, первым истинно биофизическим методом изучения живой природы.
В XVIII веке в физике происходит развитие разделов гидродинамики, теории газовых состояний, термодинамики, закладываются основы учения об электричестве. В математике формируются методы дифференциального и интегрального исчисления. Ф.Лейбниц предложил понятие «живой силы»- mV
2
в противовес количеству движения mV. В это время описаны основные принципы гемодинамики, которые позже относят к биофизике (Л.Эйлер).
Классические эксперименты А. Лавуазье и П. Лапласа, позволившие установить аналогичную природу процессов дыхания и горения, указать на кислород как источник теплоты, опубликованы в трактате «О теплоте» (1783).
А. Лавуазье и Ж. Сегэн в «Мемуарах о дыхании животных» описали связь потребления кислорода с совершаемой механической работой.
Следующий серьезный шаг в развитии биофизики связан с открытием
Л. Гальвани биологического электричества (1791). Он обнаружил феномен подергивания лягушачьих лапок в ответ на электрический разряд и предположил главную роль электричества в нервно-мышечной передаче.
Л. Гальвани установил количественную зависимость раздражения и возбуждения, ввел понятие «порога». В 1837 году Маттеучи, используя гальванометр, впервые зарегистрировал электрический потенциал живых клеток.
В XIX веке классическая физика сформировалась уже в том виде, как мы знаем ее сегодня. На границе XIX – XX веков шло формирование и биофизики как комплексной и целостной системы знаний о живой природе. Сегодня биофизика включает целый ряд разделов, каждый из которых сформировался в

8 самостоятельное научное направление. И если в 1930 – 40-е годы еще можно было считать себя специалистом в биофизике «вообще», то сегодня одному человеку явно не под силу охватить все ее направления.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18


написать администратору сайта