Место биофизики в естествознании

как физика явлений жизни, изучаемых на
всех уровнях ,начиная с

молекул и клеток.
Несмотря на чрезвычайную сложность физ –хим строения организма ,
оказывается возможным подойти к пониманию его
строения на молекулярном уровне организации,
изучив свойства сравнительно немногих классов
органических соединений ( аминокислоты ,белки , нуклеиновые кислоты).

биофизика клетки, биофизика сложных систем .Молекулярная биофизика изучает строение и

физ-хим свойства функциональных молекул—прежде всего белков и нуклеиновых кислот.
Главные задачи молекулярной биофизики относятся к структуре молекул и их функциональности. Теоретический аппарат –термодинамика , статист .механика, квантовая механика
Молекулярная биофизика естественно переходит в биофизику клетки, изучает строение и функциональность клеточных и тканевых систем.
Главные задачи : физика биологических мембран и биоэнергетических процессов. Биофизика клетки включает ---изучение генерации и распространения нервного импульса , мышечного сокращения , фотобиологические явления ( фотосинтез ,рецепция света .зрение), биофизику органов чувств –физ. и физ-хим механизмы восприятия специфических раздражителей рецепторами человека ( на квантовом , молекулярном, клеточном уровнях).

и физ –мат моделированию биологических процессов.
Методы современной биофизики должны сочетать

: высокую чувствительность и большую точность, поэтому прежде всего используют достижения современной электроники и оптические методы спектроскопии (ЯМР,ЭПР)

в состав организма--- прежде всего белков и нуклеиновых кислот. Основная

проблема заключается в том, чтобы раскрыть природу взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности биологических макромолекул и механизм функционирования их в живых системах.
2.Биофизика мембранных процессов или биофизика клетки изучает такие функциональные проявления клеток как генерация возбуждения( нервный импульс) и биопотенциалы
(кардиография), процесс транспорта веществ через мембраны.
3.Биофизика фотобиологических процессов. Изучает механизмы фотоэнергетических и фоторецепторных систем (зрение), выясняет роль и механизмы участия электронно –возбуждённых состояний в биол.процессах.
4.Биофизика органов чувств—изучает функционирование этих систем в физ. и биол. аспектах и исследует превращение энергии , которое происходит при восприятии внешних раздражений (органы зрения ,слуха и др….)

развития биофизики начался по существу с выдающихся открытий Л.Полингом пространственной

структуры белка и Д. Уотсоном и Ф.Криком знаменитой спирали жизни ---двойной спирали ДНК.
Как вам известно клетка –структурная и функциональная единица живого.(Шлейден ,Шванн)
Основу структурной организации клетки составляют мембраны(блм) ---тонкие пограничные структуры молекулярных размеров ,расположенные на поверхности клеток и субклеточных частиц. Основу (матрицу) мембраны формируют фосфолипидные молекулы, каждая из которых имеет полярную голову и неполярный хвост. Головы фосфолипидных молекул содержат фосфатные и холиновые группы и поэтому полярны, хорошо контактируют с молекулами воды(гидрофильны) хвосты неполярные СН цепи жирных кислот (14-24 атома углерода) гидрофобны В водном растворе молекулы фосфолипидов самопроизвольно собираются и образуют двойной слой(бислой), при этом гидрофильные головы обращены к воде а гидрофобные хвосты напралены друг к другу и вытесняют из внутренней области молекулы воды Толщина пипидного бислоя 5-9 нм.

Даниэлю –Давсону (1935, Англия) – они предложили модель мембраны ,в

которой липиды располагались в два слоя,а поверхность липидов с обеих сторон покрывали белки—модель продержалась почти 40 лет и вполне соответствовала современным представлениям о структуре мембран. В настоящее время принята модель Сингер –Николсона (1972)– жидко –кристаллическая….

мозаичную (кристаллическую) модель мембраны, согласно которой молекулы белков плавают в

жидком фосфолипидном бислое. Они образуют в нём как бы своеобразную мозаику, но поскольку этот бислой жидкий,то и сам мозаичный узор не жёстко фиксирован; белки могут менять в нём своё положение. Покрывающая клетку тонкая мембрана напоминает плёнку мыльного пузыря –она тоже всё время «переливается».Хотя мембрана характеризуется исключительной тонкостью, (тончайшая клеточная оболочка ),она обладает высокой прочностью ,гибкостью.

из полярной головки и двух длинных неполярных углеводородных «хвостов». Полярные

головки гидрофильны. «Хвосты» обладают гидрофобными свойствами. Двойной фосфолипидный слой выполняет функцию барьера и матрицы !для различных белков. Липиды и белки в бислое мо­гут перемещаться: достаточно быстро внутри слоя вдоль плоско­сти мембраны (латеральная диффузия) и очень медленно между двумя монослоями поперек мембраны (флип флоп переходы).

(на одну молекулу белка приходится 75-90 молеку л липидов) и

функциональные белковые комплексы. Биол.мембрана включает различные белки :интегральные (пронизывающие мембрану насквозь),полуинтегральные (погружённые одним концом во внешний или внутренний липидный слой),поверхностные (расположенные на внешней стороне мембраны.) Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны с цитоскелетом внутри клетки, многие и. белки выполняют функцию ионных каналов( транспорт веществ) ; рецепторов. Все белки мембраны синтезируются в эндоплазматическом ретикулуме.

распознавать друг друга. Вместе с гликопротеинами они обеспечивают правильное сцепление

клеток при их объединении в ткани, т.к. с помощью «антен» клетки способны распознавать другие клетки, т.е. они действуют как маркеры,своего рода «ярлыки »,позволяющие опознать клетку.

и придают ей эластичность и устойчи­вость к механическим повреждениям. Интегральные белки

(иб) являются главным компонентом, ответственным за избирательную проницаемость клеточной мембраны.

методами рентгеноструктурного анализа,а также определены важные структурные параметры мембраны (толщина

7-9 нм, 4-13нм). Использование рентгеновского излучения для анализа мембранных структур, что длина волны излучения сопоставима с размером объекта (0,00001- 80 нм).

разрешения 200 нм,значительно превышает размеры мембраны. Поэтому для исследования структуры

мембраны используется электронная микроскопия, которая даёт значительно большие увеличения и предел разрешения достигает 0,1нм. Люминесцентные методы исследования---используют флюоресцентные метки,которые связываются с исследуемыми молекулами и позволяют визуализировать многие процессы. Анализ даёт возможность исследовать подвижность молекул фосфолипидов в мембране ,оценить вязкость липидной фазы мембраны.

огромное количество тонких двойных линий ,толщиной 7-10 нм, которые представляют

срез биол. мембраны.

и окружающей её средой , обеспечивая относительно автономное ,целостное существование

клетки
Барьерно –транпортная :мембрана определяет потоки веществ идущих через неё , т.е. состав цитоплазмы, в тоже время она образует барьер,ограничивающий внутреннее содержимое клетки ,из внешней среды в клетку поступает вода,разнообразные соли в виде отдельных ионов,неорг.и орг. молекулы. Они проникают в клетку через очень тонкие каналы плазмолеммы

мембранах митохондрий происходит синтез АТФ, на мебранах происходит генерация биопотенциалов,

акустическая,зрительная и др.рецепции.
Многие патологические процессы в клетке ,включая такие как раковое перерождение, нарушения при атеросклерозе связаны с нарушением барьерной и структурной функции мембран.

проницае­мость, генерацию электрического потенциала на мембране. Третья модель — липосомы. Липидные

бислои стремятся замкнуться сами на себя, чтобы спрятать гидрофобные «хвосты» от воды. При этом обра­зуются фосфолипидные везикулы — липосомы,. Они представляют собой мельчайшие пузырьки (везикулы), состоящие из билипидной мембраны. Липосомы фактически являются биологической мембраной, полностью лишенной белковых молекул.

у воды. Размеры. Толщина мембраны (L) меняется от 4 до 13

нм, причем различным кле­точным мембранам присуща разная толщина. Вязкость. Липидный слой мембраны имеет вязкость η = 30-100 мПа •

3 порядка ниже, чем у воды (73 тН · м-1). Коэффициент

проницаемости мембранного вещества для во­ды ранен 25 33 • 10-4 см/с. Мембрана - конденсатор. Двойной фосфолипидный слой уподобляет мембрану плоскому конденсатору, обкладки кото­рого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный бислой.

мембраны значительно превосходят свойства технических изоляторов. Жидкокристаллическое состояние. при котором вещество

об­ладает текучестью, но сохраняет определенную упорядоченность в расположении молекул . При изменении температуры в мембране можно наблюдать фазовые переходы. При фазовых переходах меняется толщина двойного слоя.

диффузия (перенос массы); - вязкость (перенос импульса из слоя в слой); -

теплопроводность (перенос энергии); - электропроводность (перенос электрического заряда). Как синоним переноса частиц в биофизике используется термин транспорт частиц.

вещества из области с большей концентра­цией в область с меньшей.

Диффузия приводит к равномерному распределению вещества по всему объему. Количественно диффузия описывается специальными параметрами. Потоком вещества (Ф) через элемент поверхности, который перпендикулярен направлению диффузии, называется количество этого вещества, пе­реносимого через данный элемент за единицу времени.

: ф = m/t [кг/с] или Ф = vjt

[моль/с]. поток пропорционален площади S выделенного элемента. градиенту концентрации (dc/dx) диффундирующего ве­щества. Поэтому формула для расчета потока: Ф = -D{dc/dx)S. Коэффициент пропорциональности D называется коэффициен­том диффузии. Знак «—» означает, что поток направлен в сто­рону убывания концентрации (плотности) вещества

свойств жидкости, свойств диф­фундирующих частиц, температуры. Плотностью потока вещества (J)

называется от­ношение потока вещества (Ф) через элемент по­верхности к площади этого элемента (S): J — Ф/S. Единица плотности потока — [кг/(м2 ■ с)] или [моль/(м2 ■ с)]. Плотность потока выражается уравнением диффузии (уравнение Фика): J = -D{dc/dx).

среде обязательно имеет место скачкообразное изменение концентрации частиц диффундирующего вещества.

Коэффициент распределения вещества (К) — это величина, равная отношению концентраций ча­стиц в граничащих средах: К = Ссреда 1 / Ссреда 2 •

с0. Концентрация частиц в мембране у ее внутренней и внешней

поверхностей обозначены см1 и смо- градиент концентрации диффундирующего вещества : dc/dx = (смо- cMi)/L.

Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят

из двух длинных гидрофобных углеволородных «хвостов«,которые связаны с заряженной гидрофильной «головкой». Холестерол придаёт мембране жёсткость,занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться.

- c0)/L. Введем коэффициент проницаемости мембраны (м/с): P = DK/L Окончательно имеем

уравнение Фика для диффузии в мем­ранах: J = P(Ci-c0). Это уравнение Фика определяет плотность потока вещества при диффузии через мембрану, то есть описывает пассивный транспорт в мембранах.