Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Что изучает биофизика? Раздел 1. Общая биофизика. Включает в себя термодинамику биологических систем, кинетику биологических процессов, фотобиологию и молекулярную биофизику. Биологическая термодинамика, или термодинамика биологических систем, изучает процессы превращения вещества и энергии в живых организмах. Этот раздел биофизики до сих пор создает почву для дискуссий о том, выполняются ли законы термодинамики в живых организмах. Основу этому разделу положили уже упомянутые выше работы А. Лавуазье и П. Лапласа, доказавшие применимость первого закона термодинамики к живым системам. Дальнейшее развитие этого направления привело к описанию Гельмгольцем тепловых эквивалентов пищи. Наибольший вклад в этот процесс внес австрийский биофизик И. Пригожин, доказавший применимость второго закона термодинамики к биологическим системам и положивший начало учению о термодинамике открытых неравновесных систем. Кинетика биологических процессов – пожалуй, наиболее близкая к физике и химии область биофизики. Скорость и закономерности протекания реакций в живых системах мало отличаются от остальных. Эксклюзивным предметом является – учение о ферментах, о кинетике ферментативных реакций и способах регуляции ферментативной активности, описанная Михаэлисом и Ментен. Фотобиология, или квантовая биофизика – изучает взаимодействие излучений с живыми организмами. Видимый свет играет исключительно важную роль в биологии как источник энергии (фотосинтез) и информации (зрение). Здесь нужно отметить большой вклад русского ученого М. Ломоносова, предложившего трехкомпонентную теорию цветного зрения, нашедшую затем свое развитие в работах Юнга и Гельмгольца («Физиологическая оптика», 1867). Они описали оптическую систему глаза, явление аккомодации и изобрели «глазное зеркало» – офтальмоскоп, до сегодняшнего дня используемый при исследовании сетчатки. Молекулярная биофизика – раздел, тесно прилегающий к физической химии и изучающий закономерности образования и функционирования биомакромолекул. Этот раздел начал бурно развиваться лишь во второй половине XX века, так как требует сложного оборудования для проведения исследований. Здесь следует отметить работы Поллинга и Кори по изучению структуры молекул белка, Уотсона и Крика – по изучению молекулы ДНК. Раздел II. Биофизика клетки. Предметом данного раздела являются принципы организации и функционирования живой клетки и ее фрагментов, биологических мембран. 9 Этот раздел биофизики стал развиваться после появления клеточной теории Шванна. Были описаны структура и функция клеточных мембран (Робертсон, Синджер и Николсон), сформулированы представления об избирательной проницаемости мембран (В. Пфеффер и Х. де Фриз, Овертон), учение об ионных каналах (Эйзенман, Муллинз, Хилле). Эксперименты Э. Дюбуа-Реймона и теория В. Оствальда о трансмембранной разности потенциалов положили начало учению о биологическом электричестве, о возбудимых тканях и привели к пониманию закономерностей функционирования нервных и мышечных клеток. Механизмы передачи информации в клетках, учение о первичных и вторичных посредниках и внутриклеточных сигнальных системах – одно из активно развивающихся направлений современной биофизики. Ионы кальция, циклические нуклеотиды, продукты гидролиза мембранных фосфоинозитидов, простагландины, оксид азота – перечень молекул, передающих информацию от мембраны внутрь клетки и между клетками, постоянно пополняется. Раздел III. Биофизика сложных систем. Естественным этапом в развитии биофизики явился переход к описанию сложных биологических систем. Начав с исследования отдельных тканей и органов, сегодня биофизика анализирует процессы, протекающие на уровне целого организма, надорганизменных систем (популяций и экологических сообществ), биосферы в целом. Делаются попытки использовать биофизические подходы к анализу социальных процессов. Биофизика все глубже внедряется в медицину. Новые биофизические подходы находят применение в диагностике и лечении различных заболеваний. В качестве примеров можно назвать магниторезонансную томографию, воздействие электромагнитными волнами высокочастотного диапазона, методы клеточной терапии и т.д. Особенности биофизических методов Как упоминалось выше, принцип качественной несводимости в биофизике обуславливает необходимость «качественного сплава» методов физики и биологии. Биофизические методы исследования характеризуются рядом общих свойств. Во-первых, биофизика оперирует количественными методами, позволяющими измерить и объективно оценить исследуемое явление. Этот методологический принцип привнесен из физики. Во-вторых, биофизика рассматривает изучаемый объект в целом, не расчленяя его. Естественно, что любое измерение неизбежно вносит в изучаемую систему некоторые возмущения, но биофизические методы стремятся свести это возмущение к минимуму. По этой причине в настоящее время широкое распространение в биофизике получают такие методы, как инфракрасная спектроскопия, исследование отраженного света, флуоресцентные методы исследований. 10 В-третьих, важным методологическим принципом биофизики является «стратегия системного подхода». Биофизические методы основываются на неразрывности структуры и функции, рассматривая структурно-функциональные взаимосвязи в живых системах как основной принцип их организации. Названные особенности определяют биофизику как самостоятельное научное направление, имеющее собственный предмет исследований и методологические подходы. В следующих лекциях будут рассмотрены отдельные разделы биофизики, описаны достижения этой важной науки на современном этапе. Особое внимание будет уделено применению биофизических методов в биологии и медицине. 11 I. ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Основные понятия термодинамики. Термодинамика (ТД) – наука, изучающая наиболее общие законы превращения различных видов энергии в системе. Различают термодинамику равновесных систем классическую, равновесную и термодинамику неравновесных систем линейную и нелинейную . Под термодинамической системой понимают часть пространства, ограниченную условно поверхностью оболочкой . Обязательными характеристиками термодинамической системы (М) является большое количество микрочастиц (m), размеры которых много меньше самой системы: m M. Различают 3 типа систем: Изолированная – не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Замкнутая (закрытая) – обменивается с окружающей средой только энергией. Открытая – обменивается с окружающей средой энергией и веществом. Термодинамическая система характеризуется определенными параметрами функциями , которые количественные описывают их состояние и подразделяются на: Экстенсивные, которые зависят от общего количества вещества в системе (масса, объем). Интенсивные, которые не зависят от общего количества вещества в системе (давление, температура). Термодинамические процессы – это процессы обмена энергией и веществом или переход энергии из одной формы в другую. Они бывают обратимые и необратимые. При обратимом процессе переход от начального к конечному состоянию, и наоборот, не требует дополнительных затрат энергии. Энергия переходит из одного вида к другому без потерь. Характеризует идеальные процессы. При необратимом процессе переход от конечного состояния к начальному требует дополнительных затрат энергии, так как процессы идут с частичными потерями энергии в виде тепла. Характеризует реальные процессы. Основная задача термодинамики – однозначное описание изменений в термодинамической системе при еѐ переходе из одного состояния в другое. Различают равновесное и неравновесноесостояние термодинамической системы: 12 Равновесным называется такое состояние системы, когда ее параметры не меняются с течением времени. Интенсивные параметры одинаковы во всех точках системы, т.е. градиенты этих параметров отсутствуют. Параметры системы не меняются с течением времени. Неравновесное называется такое состояние системы, когда ее параметры меняются с течением времени. Интенсивные параметры различны в разных точках системы, т.е. имеются градиенты этих параметров. Градиент – изменение параметра в пространстве. Существуют градиенты: температуры – Т/ х, концентрации – с/ х, давления – р/ х и т.д.. Связи между параметрами системы называют уравнениями состояния. Изменение любого из параметров приводит к изменению состояния системы. Переход системы от одного состояния к другому происходит в результате различных процессов, которые подчиняются законам ТД. Законы термодинамики Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии В качестве функции состояния наиболее показательна внутренняя энергия системы. Являясь суммой кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул данной системы, она зависит от термодинамических параметров. ). , , , ( T V p m f U Ее производная U не зависит от пути перехода и является отражением I-го закона ТД: W Q U U U 1 2 , где Q и W – сообщенное тепло и совершаемая работа, над системой +), а ( - самой системой, соответственно. В дифференциальной форме I-ый закон ТД выглядит так W Q dU , где Q и W – сообщенное тепло и совершаемая работа, соответственно, не являются функциями состояния, так как это функции процесса, которые не могут быть выражены разностью начального и конечного значения и поэтому не имеют полного дифференциала. Следствием I-го закона термодинамики является закон Гесса, утверждающий, что тепловой эффект реакции не зависит от пути реакции, а только от начального и конечного состояния: H H H PV U V P U Q i j ju ik ) ( , где H-энтальпия, а ΔH – разница между энтальпией продуктов реакции (∑H ik ) и исходными продуктами (∑H ju ), РΔV- работа по изменению объѐма. 13 Доказательства применимости I–го закона ТД к живым системам были приведены с помощью методов прямой и непрямой калориметрии. Прямая калориметриясвязана с непосредственным определением количества энергии в системе при полном сжигании ее в замкнутом пространстве (калориметрическая бомба). Непрямая калориметрия основана на знании тепловых эквивалентов используемых с пищей веществ. В1904 г. Этуотер сконструировал дыхательный калориметр, измеряющий поток теплоты между его стенками, и поместил туда человека, измеряя количество калорий, выделяемых и потребляемых им с пищей в течение суток. В итоге измерений при минимальной работе, совершаемой человеком, оказалось, что эти величины (7784,1 кДж – потреблено с пищей и 7771 кДж – выделено) друг от друга отличались незначительно. Табл.1 Значение дыхательных коэффициентов и энергетических эквивалентов Q (энергия на 1 л О 2 ) при окисление органических веществ Наименование вещества Q, кДж л Углеводы 1 21,0 Белки 0,8 18,8 Жиры 0,71 19,6 Оба метода убедительно подтвердили применимость I-го закона ТД к биологическим системам. Второй закон термодинамики определяет направление протекания процесса. Для обратимых процессов отношение: Q const. S T ; S Дж/Кельвин – функция состояния системы, названная энтропией, равна: Q dS T , Второй закон термодинамики в дифференциальной форме: Q dS T 0 , так как в изолированной системе: Q 0 . Энтропия имеет вероятностную природу: 0 S K lnW , где 0 K – постоянная Больцмана, -23 0 K = 1,38 10 Дж К -1 , а 1 2 n N ! W N ! N ! N ! , причем 1 2 n N N N .. N - число вероятных состояний системы. Таким образом, I-й закон ТД определяет энергетический баланс в закрытой системе, а II-й – дает возможность установить направленность термодинамического процесса. 14 Термодинамические потенциалы По изменению U и S нельзя оценить величину производимой работы, их начальных и конечных значений. Для этого и вводят термодинамические потенциалы, которые выводятся из объединенной записи I-го и II-го законов термодинамики. Объединѐнная запись I и II законов ТД Q TdS , TdS dU W , dU W TdS . Видно, что изменение внутренней энергии складывается из двух компонентов: W – совершаемая работа – это свободная энергия, TdS – рассеянная в виде тепла – связанная энергия. Для количественной оценки свободной энергии необходимо наложить ограничения: 1. При постоянном давлении P, работа по изменению объѐма будет равна PdV , а количество теплоты, согласно I-му закону ТД: Q U P V (U PV ) H будет отражать изменение энтальпии – теплосодержание системы. dH dU PdV H U PV Т.е. энтальпия равна количеству теплоты, выделяемой системой. Зная энтальпию исходных веществ и продуктов реакции и основываясь на законе Гесса, можно определить еѐ тепловой эффект (см. стр.12) 2. При постоянных V и T рассчитывается свободная энергия Гельмгольца. Совершаемая работа условно состоит из 2-х компонент: ПОЛЕЗНОЕ ПОЛЕЗНОЕ ПОЛЕЗНОЕ W W P V , TdS dU W PdV , W dU PdV TdS , так как P V 0 , ПОЛЕЗНОЕ W dU TdS dF – свободная энергия Гельмгольца. F U TS , dF dU TdS. 3. При постоянных P и T рассчитывается свободная энергия Гиббса: ПОЛЕЗНОЕ W dU pdV TdS dH TdS dG – свободная энергия Гиббса, и она равна: 15 G H TS , dG dH TdS , Так как в биологических системах const p , чаще используют энергию Гиббса. Следствия I и II –го законов ТД 1. Необратимый процесс всегда сопровождается рассеянием энергии в тепло TdS ; 2. Если 0 dF или 0 dG , то процесс самопроизвольный и необратим, если 0 dF и 0 dG , то процесс не самопроизвольный и обратимый. 3. При достижении равновесия F и min G , а dF и 0 dG Закон Вант – Гоффа Для идеального газа с учетом того, что свободная энергия Гиббса при полном дифференциировании: dG = dU + pdV + VdP – TdS – SdT = VdP-SdT, где: dG = VdP-SdT и постоянной температуре, получим: 2 1 P 2 ! P dP dP RT pV RT , V dG RT ,G RT RT(ln P ln P ). P P P Если первое состояние – в стандартных условиях и имеет стандартную величину 0 G , то итоговое значение свободной энергии Гиббса будет равно: 0 G G RT ln P . Для разбавленных растворов P C (концентрация) и тогда: 0 G G RT lnC . Для простого процесса A B в состоянии равновесия 0 G , тогда, 0 A G RT ln B а так как B A = P K (константа равновесия), получаем: 0 P G RT ln K – закон Вант – Гоффа ( 0 G – изменение G при протекании процесса в стандартных условиях). В биологических системах процессы обычно сопровождаются еще изменением количества вещества и в таком случае: dU TdS pdV dN , где dN – изменение числа частиц, – химический потенциал (градиент). dG SdT Vdp dN . 16 Химический потенциал равен изменению термодинамического потенциала, приходящегося на одну частицу вещества в соответствующем процессе. Он не является термодинамическим потенциалом и служит параметром системы. 1 2 N RT ln N Все выше изложенное разработано для закрытых и изолированных систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. При этом состоянии, когда: S max.,F 0,G 0, S 0, F 0, G 0 , процессы не протекают, материя мертва, так как система не может самопроизвольно выйти из этого состояния. Живые системы находятся в стационарном состоянии. При этом скорость протекания процессов остается постоянной, то есть: S , F , G 0 , но F и 0 G , а max S (здесь F и G становятся функциями от времени). Равновесие в живой системе поддерживается за счет баланса протекающих процессов. |