Место биофизики в естествознании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Задачи и методы биофизики

Будем исходить из определения физики как науки, изучающей строение и свойство конкретных видов материи -- веществ и полей -- и формы существования материи - пространство и время. В этом определении нет разграничения живой и не живой природы. Приведенное определение не означает сведения всего естествознания к физике, но из него следует, что конечные теоретические основы любой отрасли естествознания имеют физический характер.

Биология есть наука о живой природе, объекты которой неизмеримо сложнее неживых.

Исходя из сказанного, определим биологическую физику как физику явлений жизни, изучаемых на всех уровнях, начиная с молекул и клеток и кончая биосферой в целом. Такое определение биофизики противостоит ее пониманию как вспомогательной области биологии или физиологии. Содержание биофизики не обязательно связано с применением физических приборов в биологическом эксперименте. Медицинский термометр, электрокардиограф, микроскоп физические приборы, но врачи или биологи, пользующими этими приборами, вовсе не занимаются биофизикой. Биологическое исследование начинается с физической постановки задачи, относящейся к живой природе. Это означает, что такая задача формулируется, исходя из общих законов физики и атомно-молекулярного строения вещества.

Тем самым конечная цель биофизики состоит в обосновании теоретической биологии. Одновременно биофизика решает многочисленные теоретические и практические (прикладные) проблемы частного характера.

Биофизика - наука XX века. Из этого не следует, что ранее не решались биофизические задачи. Максвелл построил теорию цветного зрения, Гельмгольц измерил скорость распространения нервного импульса. Число примеров такого рода велико. Однако лишь в наше время биофизика перешла от изучения физических свойств организмов и физических воздействий на них (свет, звук, электричество) к фундаментальным проблемам -- к исследованию наследственности и изменчивости, онтогенеза и филогенеза, метаболизма и биоэнергетика. Это оказалось возможным именно благодаря мощному развитию биологии и биохимии.

Задачи биофизики те же, что и биологии. Они состоят в познании явлений жизни. Биофизик должен обладать и физическими, и биологическими знаниями. Для успешной работы в области биофизики желательно общее понимание живой природы, определяемое знанием основ зоологии и ботаники, физиологии и экологии.

Несмотря на большие трудности, современная биофизика достигла круглых успехов в объяснении ряда биологических явлений. Мы узнали многое о строении и свойствах биологически функциональных молекул, о свойствах и механизмах действий клеточных структур, таких, как мембраны, биоэнергетические органоиды, механохимические системы. Успешно разрабатываются физико-математические модели биологических процессов, вплоть до онтогенеза и филогенеза. Реализованы общетеоретические подходы к явлениям жизни, основанные на термодинамике, теория информации, теории автоматического регулирования.

2 Физика и биология

Но достаточна ли современная физика для решения биологических проблем, для обоснования теоретической биологии? Не потребуется ли биофизики новая, еще не существующая физика? В истории науки были ситуации, в которых ранее разработанная теория встречалась с границами своей применимости и оказывалась необходимым строить принципиально новую систему представлений. Именно так и возникли и теория относительности, и квантовая механика.

Обсуждая возможности физического истолкования явлений жизни, т.е. влияние физики на современное и последующее развитие биологии, не следует забывать и об обратном влиянии биологии на физику. Закон сохранения энергии, первое начало термодинамики, был открыт Майером, Джоулем, и Гельмгольцем. Как известно, Майер исходил из наблюдений над живыми организмами, над людьми. Менее известно, что Гельмгольц также основывался на биологических явлениях, руководствуя четкой антивиталистической концепцией. Не только биофизика, но физика в целом развивались на пути преодоления витализма.

Бор рассматривал эту проблему на основе концепции дополнительности, частным случаем является принцип неопределенности квантовой механики. Бор считал дополнительными исследований несовместимы. В то же время «ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе как на основе понятий физики и химии». Таким образом, имеется дополнительность биологии, с одной стороны, и физики и химии -- с другой. Эта концепция не виталистична, она не ставит каких- либо границ применению физики и химии в исследованиях живой природы.

Развитие молекулярной биологии привело к атомистическому истолкованию основных явлений жизни -- таких как наследственность и изменчивость.

В 1945 году Шредингер написал книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики», оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Первая из них -- термодинамические основы жизни. На первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюции изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Шредингер говорил, что организмы и биосфера в целом не изолированные, но открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергией. Неравновесное состояние открытой системы поддерживаются оттоком энтропии в окружающую среду. Вторая проблема - общие структурные особенности организмов. По словам Шредингера, организм есть апериодический кристалл, т.е. высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов. Это утверждение справедливо для строения организмов, клеток и биологических макромолекул. Третья проблема -- соответствие биологических явлений законам квантовой механики. Обсуждая результаты радиобиологических исследований, проведенных Тимофеевым-Ресовским, Циммером и Дельбрюком, Шредингер отмечает квантовую природу радиационного мутагенеза. В то же время применения квантовой механики в биологии не тривиальны, так как организмы принципиально макроскопичны. Шредингер задает вопрос: « Почему атомы малы?» Очевидно, что этот вопрос лишен смысла, если не указано, по сравнению, с чем малы атомы. Они малы по сравнению с нашими мерами длины - метром, сантиметром. Но эти меры определяются размерами человеческого тела. Следовательно, говорит Шредингер, вопрос следует переформулировать: почему атомы много меньше организмов, иными словами, почему организмы построены из большого числа атомов? Ответ на этот вопрос заключается в том, что необходимая для жизни упорядоченность возможна лишь в макроскопической системе, в противном случае порядок разрушался бы флуктуациями. Наконец, Шредингер задавался вопросом об устойчивости вещества генов, построенных из легких атомов С, Н, К, О, Р, на протяжении множества поколений.

3 Живая и неживая природа

Определим живой организм как открытую, саморегулируемую, самовоспроизводящуюся и развивающуюся гетерогенную систему, важнейшими функциональными веществами которой являются биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты. Организм - система историческая, в тот смысле, что он является результатом филогенетического, эволюционного развития и сам проходит путь онтогенетического развития -- от зиготы до старости и смерти.

Обычная физика неживой природы не имеет дела с историей. Электрон, атом, молекула характеризуются постоянными физическими свойствами, независимо от своего происхождения. Конечно, обычная физика изучает кинетические, динамические процессы. При этом, однако, не рассматривается индивидуальная история физического тела.

Сказанное не означает, что в физике неживой природы нет исторических проблем. Само возникновение живой природы. Ее эволюционное развитие и индивидуальное развитие каждой особи есть часть развития Вселенной как целого, часть развития Солнечной системы, часть развития Земли. Следовательно, имеет смысл рассмотреть сходство и различие между биофизикой, с одной стороны, и космологией, астрофизикой и геофизикой, с другой. Такое рассмотрение поучительно, так как эти разные области физики могут обогатить друг друга едиными подходами к решению исторических задач.

Согласно современным представлениям, история Вселенной начинается с малого сгустка плазмы громадной плоскости. Примерно 2 1010 лет назад этот сгусток начал расширятся взрывным образом, причем из фотонов и нейтрино возникали электроны и нуклоны, затем, по мере охлаждения Вселенной, легкие, а далее тяжелые атомы. По-видимому, расширение Вселенной непрерывно. Силы всемирного тяготения определили возникновение звезд и галактик. При высоком гравитационном сжатии температура звезды повышается вплоть до возникновения термоядерных процессов. Эти процессы ответственны за эволюцию звезд, за такие катастрофические событие, как вспышки сверхновых. Солнце - звезда, находящаяся на определенной стадии эволюции, образование планет является одним из следствий развития Солнца. По современным данным Земля существует около 4,5 109, жизнь на Земле около 3,5 109 лет.

В эволюции звезд и планетных систем так же как и в биологической эволюции, происходит «борьба за существование» - возникшие центры тяготения конкурируют друг с другом за конденсируемый материал. И в космологии, и в биологии мы имеем дело с созданием новой информации при возникновении новых звезд или новых видов или особей. Новая информация создается в результате запоминания случайного выбора. Эти процессы протекают в результате неустойчивостей предшествующих состояний. Они имеют характер фазовых переходов.

Таким образом, теоретические подходы, основанные на теории информации и рассмотрении устойчивости динамических систем, в принципе являются общими для физики живой .и неживой природы.

4. Разделы и методы биофизики

Живая природа, живые организмы представляют собой многоуровневые сложные системы. Большие и малые молекулы, клеточные органоиды, клетки, ткани, органы, организмы, популяции, биоценозы, биосфера - уровни, которыми должны заниматься и биология, и биофизика.

Биофизика условно подразделяется на три области: молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика сложных систем. Это деление не обязательно, но удобно.

Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические свойства биологических функциональных молекул, прежде всего биополимеров - белков и нуклеиновых кислот. Задачи молекулярной биофизики состоят в раскрытии физических механизмов, ответственных за биологическую функциональность молекул. Молекулярная биофизика -наиболее развитая область биофизики. Она неотделима от молекулярной биологии и химии.

Поскольку главные задачи молекулярной биофизики относятся к структуре молекул и их функциональности, мы можем рассматривать равновесные свойства молекул. Теоретический аппарат молекулярной биофизики - равновесная термодинамика, статистическая механика и, конечно, квантовая механика. Для экспериментального исследования биологических функциональных молекул применяется широкий арсенал физических методов. Это во-первых, .методы, употребляемые в физике макромолекул для определения их молекулярных масс, размеров и формы -- седиментации в ультрацентрифуге, рассеяние рентгеновских лучей растворами исследуемых веществ и т. д. Во-вторых, методы исследования структуры молекул, основанные на взаимодействии вещества со светом, включают рентгеноструктурный анализ, -резонансную спектроскопию, электронные и колебательные спектры, т. е. спектры поглощения и люминесценции в ультрафиолетовой и видимой областях, инфракрасные спектры и спектры комбинационного рассеяния. Сюда же относятся спектрополяриметрия, т.е. исследования естественного и магнитного вращения плоскости поляризации 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 значение структуры белков и нуклеиновых кислот посредством электронной микроскопии.

Молекулярная биофизика естественно переходит в биофизику клетки, изучающую строение и функциональность клеточных и тканевых систем. Эта область биофизики является самой старой и традиционной. Ее главные задачи связаны сегодня с изучением физики биологических мембран и биоэнергетических процессов. Биофизика клетки включает изучение генерации и распространения нервного импульса, изучение механохимических процессов, изучение фотобиологических явлений. 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 показывается преимущественно теоретическая область биофизики, посвященная рассмотрению общих физико-биологических проблем и физико-математическому моделированию биологических процессов. Перечислим основные современные разделы теоретической биофизики сложных систем.

1.Общая теория диссипативных нелинейных динамических систем -- термодинамика необратимых процессов и кинетическое моделирование.

Теория возбудимых сред, частью которой является теория биологических колебательных процессов.

5. Общетеоретическая трактовка биоэнергетических явлений

Общая теория и моделирование процессов биологического развития - эволюции, онтогенеза, канцерогенеза, иммунитета.

Все разделы биофизики находят сегодня важные практические приложения, прежде всего в медицине и фармакологии, а также в сельском хозяйстве.

Термодинамика является разделом физики, в котором изучают энергию, её передачу из одного места в другое и преобразование из одной формы в другую. Термодинамика основана на наиболее общих принципах, которые являются универсальными и базируются на опытных данных многих наук. Одним из основных специфических свойств живых существ является их способность превращать и хранить энергию в различных формах. Все биологические объекты для поддержания жизни требуют поступления энергии. Все биологические процессы связаны с передачей энергии. Растения способны получаемую ими энергию солнца накапливать в процессе фотосинтеза в форме энергии химических связей органических веществ. Животные используют энергию химических связей органических веществ, получаемых с пищей. Все процессы превращения энергии в растениях и животных происходят в пределах ограничений термодинамических принципов. Основные принципы термодинамики универсальны для живой и неживой природы.

Термодинамика использует понятие системы. Любая совокупность изучаемых объектов может быть названа термодинамической системой. Примерами систем могут служить клетка, сердце, организм, биосфера и т.п. Существует три вида термодинамических систем в зависимости от их взаимодействия с окружающей средой: Изолированные системы не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом. Таких систем в реальных условиях не существует, но понятие изолированной системы используют для понимания главных термодинамических принципов. Закрытые системы обмениваются со средой энергией, но не веществом. Примером такой системы может служить закрытый термос с налитым в него чаем.

Открытые системы обмениваются с внешней средой как энергией, так и веществом. Все живые существа относятся к открытым термодинамическим системам.

Классическая термодинамика не рассматривает поведение отдельных атомов и молекул, а стремится описать состояние термодинамических систем с помощью макроскопических переменных величин, которые называются параметрами состояния. Такими параметрами являются температура, объем, давление, химический состав, концентрация и т.п., то есть такие физические величины, с помощью которых можно описать состояние конкретной термодинамической системы в данное время.

Термодинамическое равновесие является состоянием системы, в котором параметры состояния не изменяются во времени. Это полностью стабильное состояние, в котором система может находиться в течение неограниченного периода времени. Если изолированная система выведена из равновесия, она стремится возвратиться к этому состоянию самопроизвольно. Например, если в термос, заполненный горячей водой, температура которой в каждой точке одинакова, бросить кусочек льда, то температурное равновесие нарушится и появится различие температур в объёме жидкости. Известно, что передача тепла будет происходить из области с более высокой температуры в область с более низкой температурой, пока постепенно во всём объёме жидкости не установится одинаковая температура. Таким образом, разница температур исчезнет, и равновесие восстановится.

Другим примером является концентрационное равновесие. Предположим, что в изолированной системе существует различие концентрации некоторого вещества. Оно вызывает перемещение вещества, которое продолжается до тех пор, пока не установится состояние равновесия, при котором концентрация вещества в пределах всей системы будет одинаковой.

6. Внутренняя энергия, работа и тепло

Для понимания термодинамических принципов очень важными являются понятия энергии, работы и теплоты. Энергия в широком значении - способность системы выполнять некоторую работу.

Существует механическая, электрическая, химическая энергия и т.п. Внутренняя энергия системы - сумма кинетической и потенциальной энергии всех молекул, составляющих систему. Величина внутренней энергии газа зависит от его температуры и числа атомов в молекуле газа. В одноатомных газах (например, гелии) внутренняя энергия является действительно суммой кинетической энергии молекул. В полиатомных газовых молекулах атомы могут вращаться и вибрировать. Такая молекула будет обладать дополнительной кинетической энергией.

В твердых веществах и жидкостях взаимодействие между молекулами также способствует увеличению внутренней энергии. Общая энергия системы складывается из её внутренней энергии и кинетической и потенциальной энергии системы, взятой в целом. Величина внутренней энергии зависит от параметров состояния термодинамической системы. Абсолютная величина внутренней энергии не может быть определена, но физический смысл имеет изменение внутренней энергии, которое может быть измерено. Энергия может накапливаться и отдаваться системой. Она может передаваться от одной системы к другой. Есть две формы передачи энергии: работа и теплота. Эти величины не являются параметрами состояния системы, так как зависят от пути процесса, в ходе которого изменяется энергия системы.

Теплота является энергией, переданной от одной системы другой из-за разницы их температур. Есть несколько путей теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность - процесс теплопередачи между объектами при их непосредственном контакте. Процесс происходит из-за столкновения молекул, в результате чего они передают избыточную энергию друг Другу.

Конвекция - это процесс теплопередачи с одного объекта на другой движением жидкости или газа. Как электропроводность, так и конвекция требуют присутствия некоторого вещества.

Однако теплота может передаваться и через вакуум. Примером этому служит передача солнечной энергии через космическое пространство к Земле. Этот процесс называется излучением, при котором теплота передаётся электромагнитными волнами разной длины волны. Другой формой передачи энергии от одной термодинамической системы другой является работа, которая совершается над системой при действии определённых сил или в самой системе. Путь совершения работы может быть различным. Например, газ в цилиндре может быть сжат поршнем или совершать расширение против сил давления поршня; жидкость может быть приведена в движение, а по твердому телу можно колотить молотом. В биологических системах совершаются различные формы работы: механическая работа, выполняемая против механических сил; осмотическая работа, состоящая в транспорте различных веществ благодаря разности их концентраций; электрическая работа, заключающаяся в ионном транспорте в электрическом поле и т.п.

7. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии. Он указывает, что общая энергия в изолированной системе - величина постоянная и не изменяется во времени, а лишь переходит из одной формы другую. Когда в системе происходит некоторый процесс, сумма всей энергии, переданной через границу системы (теплотой или работой), равна общему изменению энергии этой системы. Первый закон термодинамики связывает изменение внутренней энергии системы (dU), теплоту (дQ ), переданную системе, и работу, совершённую системой:

дQ = dU + дА (1)

Это уравнение является математическим выражением первого закона термодинамики.

Работа, совершённая системой считается положительной (работа, совершённая над системой - отрицательна).

Смысл первого закона термодинамики можно понять, используя в качестве простого примера газ, закрытый в цилиндре с установленным подвижным поршнем. Если мы добавляем теплоту к газу, но не допускаем перемещения поршня, внутренняя энергия и, следовательно, температура газа возрастёт. Внутренняя энергия газа может быть повышена при его сжатии поршнем. Если при нагревании газа мы позволяем ему расширяться (не удерживаем поршень), теплота, которую мы сообщаем газу, частично расходуется на увеличение его внутренней энергии, а частично - на совершение внешней работы, в результате которой поршень будет подниматься.

Первый закон термодинамики живых организмов

В 19 столетии было доказано экспериментально, что первый закон термодинамики применим к процессам, которые происходят в биологических системах.

Поступление пищи обеспечивает энергию, которая используется для выполнения различных функций организма или сохраняется для последующего использования. Энергия высвобождается из пищевых продуктов в процессе их биологического окисления, которое является многоступенчатым процессом.

Энергия пищевых продуктов используется в клетках первоначально для синтеза макроэргических соединений - например, аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ, в свою очередь, может использоваться как источник энергии почти для всех процессов в клетке.

Пищевые вещества окисляются вплоть до конечных продуктов, которые выделяются из организма. Например, углеводы окисляются в организме до углекислого газа и воды. Такие же конечные продукты образуются при сжигании углеводов в калориметре:

С6Н12О6 + 602 = 6СО2 + 6Н2О

Величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляет 4,1 килокалории (кКал). Столько же энергии, образуется при окислении глюкозы в живых клетках, несмотря на то, что процесс окисления в них является многоступенчатым процессом и происходит в несколько стадий. Этот вывод основан на принципе Гесса, который является следствием первого закона термодинамики: тепловой эффект многоступенчатого химического процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы. Таким образом, исследования с помощью калориметра показали среднюю величину физиологически доступной энергии, которая содержится в 1 грамме трех пищевых продуктов (в килокалориях): углеводы - 4,1; белки - 4,1; жиры - 9,3.

С другой стороны, в конечном итоге вся энергия, поступившая в организм, превращается в теплоту. Также при образовании АТФ лишь часть энергии запасается, большая - рассеивается в форме тепла. При использовании энергии АТФ функциональными системами организма большая часть этой энергии также переходит в тепловую. Оставшаяся часть энергии в клетках идёт на выполнении ими функции, однако, в конечном счёте, превращается в теплоту. Например, энергия, используемая мышечными клетками, расходуется на преодоление вязкости мышцы и других тканей. Вязкое перемещение вызывает трение, что приводит к образованию тепла. Другим примером является расход энергии, передаваемой сокращающимся сердцем крови. При течении крови по сосудам вся энергия превращается в тепло вследствие трения между слоями крови и между кровью и стенками сосудов.

Следовательно, по существу вся энергия, потраченная организмом, в конечном счете, преобразуется в теплоту. Из этого принципа существует лишь единственное исключение: в случае, когда мышцы выполняют работу над внешними телами. Если человек не выполняет внешней работы, то уровень высвобождения организмом энергии можно определить по величине общего количества теплоты, выделенной телом. Для этого применяют метод прямой калориметрии, для реализации которого используют большой, специально оборудованный калориметр. Организм помещают в специальную камеру, которая хорошо изолирована от среды, то есть не происходит обмена энергией с окружающей камеру средой. Количество теплоты, выделенной исследуемым организмом, можно точно измерить. Эксперименты, выполненные этим методом, показали, что количество энергии, поступающей в организм, равно энергии, выделяющейся при проведении калориметрии.

Прямая калориметрия в проведении трудоёмка, поэтому в настоящее время используют метод непрямой калориметрии, который основан на вычислении энергетического выхода организма по использованию им кислорода.

8. Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики утверждает только о сохранении энергии, но не указывает направления, в котором могут осуществляться термодинамические процессы. Возможное направление термодинамических процессов является предметом второго закона термодинамики. Второй закон термодинамики указывает, что все реальные процессы (в том числе в биологических системах), сопровождаются рассеянием некоторой части энергии в теплоту. Все формы энергии (механическая, химическая, электрическая и т.п.) могут быть превращены в теплоту без остатка. Но сама теплота не может превращаться полностью в другие формы энергии. Не существует двигателя или процесса, который бы преобразовывал теплоту в другую форму энергию с 100% эффективностью. Как известно, рассеяние теплоты означает энергетическое разложение. Теплота - деградированная форма энергии, поскольку термическое движение молекул беспорядочный и вероятностный процесс. Таким образом, энергетическое рассеивание в форме теплоты необратимо.

Согласно второму закону термодинамики, каждый реальный процесс, происходящий в термодинамической системе, может осуществляться только в одном направлении. Противоположный процесс, при котором как система, так и окружающая среда возвращались бы в их первоначальные состояния, невозможен. Одна из формулировок второго закона термодинамики (Клазиуса) указывает, что теплота не может передаваться самопроизвольно от тела, обладающего более низкой температурой, телу с более высокой температурой. Любой реальный процесс является в той или иной мере необратимым.

9. Третий закон термодинамики

1. Первый и второй законы термодинамики не позволяют определить значение S0 энтропии системы при абсолютном нуле температуры (T = 0°К). В связи с этим оказывается невозможным теоретический расчет абсолютных значений энтропии, изохорно-изотермного и изобарно-изотермного потенциалов системы, а также константы равновесия.

2. На основании обобщения экспериментальных исследований свойств различных веществ при сверхнизких температурах был установлен закон, устранивший указанную трудность и получивший название принципа Нернста или третьего закона термодинамики. В формулировке Нернста он гласит: в любом изотермическом процессе, проведенном при абсолютном нуле температуры, изменение энтропии системы равно нулю, т. е.

DS (T=0) = 0, S = S0 = const,

независимо от изменения любых других параметров состояния (например, объема, давления, напряженности внешнего силового поля и т. д.). Иными словами, при абсолютном нуле температуры изотермический процесс является также и изоэнтропийным.

3. Из третьего закона термодинамики следует, что для всех тел при T = 0°К обращаются в нуль теплоемкости Сp и СV и термодинамический коэффициент расширяемости a. Из него также вытекает вывод о невозможности осуществления такого процесса, в результате которого тело охладилось бы до температуры T = 0°К (принцип недостижимости абсолютного нуля температуры).

4. Принцип Нернста был развит Планком, предположившим, что S0 = 0: при абсолютном нуле температуры энтропия системы равна нулю. Физическое истолкование принципа Нернста в формулировке Планка дается в статистической физике.

Условие S0 = 0 при T = 0°К является следствием квантового характера процессов, происходящих в любой системе при низких температурах, и выполняется только для систем находящихся при Т = 0°К в состоянии устойчивого, а не метастабильного равновесия. На основании гипотезы Планка можно определить абсолютные значения энтропии системы в произвольном равновесном состоянии.

10. Термодинамический потенциал

Состояние каждой термодинамической системы может полностью определяться с помощью термодинамических потенциалов. Каждому из них приписывается определенный набор независимых параметров состояния. Кроме упомянутой выше внутренней энергии U, к термодинамическим потенциалам относят: энтальпию Н, свободную энергию Гельмгольца F, свободную энергию Гиббса G. Они могут быть определены с помощью формул, где Р - давление, V - объем, S -энтропия и Т - температура.

Н = U + РV

F = U - SТ

G = U + РV - SТ

Свободная энергия Гиббса соответствует состоянию системы, при котором давление и температура являются постоянными. Поэтому этот термодинамический потенциал употребляют для описания биологических систем. Полезная работа в таких системах выполняется за счет уменьшения потенциала Гиббса, составляющих системы. Согласно принципу Больцмана, энтропия системы S в данном состоянии пропорциональна термодинамической вероятности этого состояния W:

S = k log W

где к - константа Больцмана.

Термодинамическая вероятность является числом микросостояний системы, посредством которых реализуется данное макросостояние системы. Чем больше возможно микросостояний (вариантов расположения частиц), тем более неупорядочена система, тем больше - величины S.

Каждая система стремится к переходу из менее вероятного высокоупорядоченного состояния в статистически более вероятные состояния, характеризующиеся беспорядочным расположением молекул. Можно сказать, что каждая система характеризуется тенденцией самопроизвольного перехода к состоянию максимального молекулярного беспорядка или хаоса.

Линейный закон обобщает многие эмпирические принципы, например, закон Фика (зависимость переноса веществ от концентрационного градиента), закон Ома (зависимость переноса электрического заряда от градиента электрического потенциала) и т.п. Каждое отдельное изменение в системе может вызвать только уменьшение её свободной энергии и повышение энтропии. Но другие изменения в этой же системе могут происходить так, что повышение энтропии при одном изменении компенсировалось её уменьшением из-за другого изменения. Например, некоторые частицы могут перемещаться через мембрану клетки в направлении их более высокой концентрации. При этом происходит уменьшение энтропии системы, которое компенсируется гидролизом АТФ, в результате которого энтропия системы увеличивается.

11. Производство энтропии в открытой системе

Изменение энтропии в открытой системе (dS) состоит из двух компонентов. Один из них dSi - производство энтропии в системе в результате необратимости процессов. Второй компонент dSe -отражает взаимодействие между системой и окружающей средой.

dS = dSi +dSe

Как видно, два компонента играют роль в процессе производства энтропии в открытой системе: показатель производства энтропии в системе и показатель изменения энтропии из-за энергообмена с окружающей средой. Согласно второму закону термодинамики, первый компонент всегда положительный. Второй компонент может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от направления энергетического обмена через границу системы.

12. Стационарное состояние открытой системы

Состояние системы называется стационарным, если величина энтропии не изменяется во времени, то есть dS = 0. Это возможно, когда производство энтропии в системе полностью компенсируется энтропией, выходящей из системы (dSi = -dSe). Стационарное состояние открытой системы имеет сходство с термодинамическим равновесием, поскольку оба состояния характеризуются устойчивостью характеризующих их параметров состояния. Но стационарное состояние существенно отличается от состояния равновесия, поскольку обменивается энергией с окружающей средой: количество свободной энергии в системе необходимо поддерживать. Энтропия системы в стационарном состоянии - стабильная, но не максимальная. Градиенты и потоки сохраняются в системе.

Основная характеристика стационарного состояния определена теоремой Пригожина, согласно которой производство энтропии в стационарном состоянии минимально. Это означает, что система рассеивает минимальную энергию в среду и нуждается в минимальном поступлении свободной энергии для поддержания своего состояния. Теорема Пригожина объясняет устойчивость стационарных состояний в открытых системах. Если система выходит из этого состояния самопроизвольно, происходит увеличение энтропии. В результате в системе возникают процессы, которые стремятся возвратить её в стационарное состояние. Многие физиологические параметры являются достаточно стабильными. Их стационарный уровень регулируют специальные физиологические механизмы. В качестве примера поддержания стационарного состояния можно привести терморегуляцию организма. Постоянство температуры обеспечивается поддержанием баланса теплопродукции и теплоотдачи. В результате температура тела поддерживается неизменной, несмотря на колебания внешней температуры. Механизмы, с помощью которых живые организмы поддерживают гомеостаз, то есть статические условия своей внутренней среды, изучает физиология.

13. Пространственная организация биополимеров

Все виды взаимодействий между атомами независимо от их физической природы при формировании различных макромолекулярных связей можно разделить на 2 основных типа:

1. взаимодействия ближнего порядка между атомами соседних звеньев;

2. дальние взаимодействия между атомами, которые хотя и отстоят по цепи далеко друг от друга, но случайно встретились в пространстве в результате изгибов цепи.

В качестве простейшей модели биополимера рассмотрим свободно-сочлененную цепь. Будем считать, что цепь состоит из ряда прямолинейных сегментов, каждый из которых включает определенное число отдельных звеньев. Внутри каждого сегмента сохраняется абсолютная корреляция в ориентации звеньев. При этом между сегментами эта корреляция полностью отсутствует.

Радиус-вектор между концами цепи может быть представлен в виде суммы отдельных векторов l_i, характеризующих каждый сегмент.

Каждое макросостояние полимера характеризуется определенными значениями молекулярных параметров и может осуществляться большим количеством микросостояний (конформаций). Тепловое движение и вращение вокруг одинарных связей (пептидных) должно приводить к значительной свернутости цепи и образованию клубка.

Сворачиваемость цепи в клубок определяется термодинамической гибкостью: чем больше гибкость, тем меньше h². При растяжении полимеров происходит развертывание клубка и уменьшение размера возможных конформаций, что сопровождается уменьшением энтропии.

,

где w - термодинамическая вероятност, kБ - константа Больцмана.

Геометрические размеры задаются с помощью среднеквадратичного расстояния биополимера - h². Внутренняя пространственная структура задаётся пространственным распределением плотности звеньев. Вследствие объёмного взаимодействия, число звеньев в пространстве может меняться от точки к точке.

В полимерных нитях, вследствие взаимосвязанности звеньев, изменение плотности в одной точке пространства связано с изменением плотности в другой точке, то есть существует пространственная корреляция плотности. Если в макромолекуле отсутствует объёмное взаимодействие, то она не имеет достоверной пространственной структуры. В этом состоянии флуктуация (изменение вероятности) плотности имеет значение того же порядка, что и сама плотность. Такое состояние носит название клубка.

Наличие объёмных взаимодействий может привести к такому состоянию, в котором флуктуация плотности мала по сравнению с самой плотностью. Такое плотное образование называется глобулой. В нем радиус корреляции флуктуации плотности намного меньше размеров молекулы <<R. Глобула в отличие от клубка обладает компактной пространственной структурой. Сердцевина большой глобулы примерно однородна, с постоянной концентрацией звеньев n0.

14. Сопряжение процессов

Энергетическое сопряжение биохимических процессов играет большую роль в метаболизме. Пусть в системе одновременно протекают две необратимые реакции. Очевидно, что условие

diS/dt = A1v1+A2v2 + ...+Anvn>0

A1v1 + A2v2 > 0

может выполняться не только при

A1v1 > 0, A2v2 > 0,

но и когда

A1v1 <0, A2v2 >0.

Первая реакция в этом случае называется сопряженной, вторая -- сопрягающей. Именно их термодинамическое сопряжение позволяет сопряженной реакции протекать в таком направлении, когда величины А1 и v1обладают разными знаками.

Условия A1v1 > 0, A2v2 > 0, A1v1 <0, A2v2 >0 дают верхний предел скорости сопряженной реакции

v1 ? A2v2/A1,

существование которого позволяет связать чисто термодинамическую величину химического сродства с важнейшей кинетической характеристикой процесса -- его скоростью. Существование термодинамического сопряжения позволяет по-новому подойти к оценке энергетической эффективности системы реакций клеточного метаболизма по сравнению с методами классической термодинамики. Необратимые процессы, приводящие к рассеянию энергии, являются причиной тепловой деградации свободной энергии системы. Однако сопряжение необратимых изменений частично предотвращает эти потери, обеспечивая тем самым основной путь преобразования и запасания энергии метаболических реакций в живой системе в форме химических связей и клеточных структур. При этом общее изменение энтропии diS/dt для сопряженных энергетических процессов остается положительным.

15 Физика белка

Конформации полипептидной цепи

Для понимания структуры белка необходимо рассмотреть возможные конформации полипептидной цепи. Они определяются, прежде всего, плоским строением пептидной связи.

Нахождение наиболее устойчивой конформации полипептидной цепи требует минимизации ее полной энергии, включая энергию внутримолекулярной водородных связей.

Полинг и Кори определили наиболее устойчивые конформации полипептидной цепи, основываясь на данных рентгеноструктурных исследований и на рассмотрении плотной упаковки цепей с максимальным числом водородных связей. Таких конформации три. Это, во-первых, альфа-спираль.

Вторая и третья конформации с максимальным насыщением водородных связей - параллельная и антипараллельная бета-формы. Это конформации уже не отдельной цепи, но совокупности цепей, образующих слоистую структуру.

Конформационная энергия цепи определяется слабыми взаимодействиями валентно несвязанных атомов. Полипептидная цепь имеет ограниченную кооперативность, ближние взаимодействия в ней ограничены ближайшими соседями. Это позволяет рассматривать порознь конформационные энергии для отдельных аминокислотных остатков.

Водородная связь и структура воды

Вторичные структуры белковых цепей стабилизованы водородными связями, играющими также большую роль в конформационном строении нуклеиновых кислот и углеводов.

Биополимеры функционируют в водном окружении. Особые свойства воды, благодаря которым она является незаменимой компонентой клеток и организмов, также определяется водородными связями.

Наличие водородных связей сильно сказывается на физических и физико-химических свойствах веществ. Межмолекулярные водородные связи определяют ассоциацию молекул. Ассоциированные вещества характеризуются сравнительно большими теплотами испарения, высокими температурами плавления и кипения и большими их разностями.

Водородная связь имеет сложный характер, в ее энергию вносят вклады и электростатические, и дисперсионные, и квантовомеханические взаимодействия.

Структура воды и льда определяется водородными связями. Каждая молекула воды может образовать четыре водородных связи с соседними молекулами, расположение этих связей тетраэдрическое. Молекулярная решетка льда очень рыхлая, с большими пустотами, так как ее координационное число мало. Именно поэтому лед легче воды. Это свойство льда не уникально, им обладают также кристаллы алмаза, кремния и германия, имеющие сходное строение.

Льдоподобная структура сохраняется и в жидкой воде, но с тем большими нарушениями, чем выше температура.

16. Белковая глобула и гидрофобные взаимодействия

В отличие от монотонной полиаминокислоты, белок содержит разнообразные остатки, в том числе и Про, которые не могут образовать водородных связей. Вторичные структуры-А-спирали и В-формы-представлены в белке лишь частично, они перемежаются неупорядоченными участками, в которых белковая цепь обладает значительной гибкостью. В результате белковая макромолекула сворачивается в глобулу, приобретая определенную пространственную, третичную, структуру. Именно эта структура биологически функциональна.

В ряде случаев белок обладает четвертичной структурой - молекула белка или надмолекулярная белковая система состоит из некоторого числа глобул. Белок- многоуровневая система.

Характер структуры на каждом уровне организации определяется геометрическими свойствами структур предыдущего уровня, силами взаимодействия их элементов и взаимодействием с окружающей средой.

Молекула, содержащие как полярные, так и неполярные группы, располагаются таким образом, что первые группы контактируют с водой, а вторые удаляются из водного окружения.

Глобулярные белки денатурируются, т.е. переходят в неупорядоченное клубкообразное состояние, под действием слабополярных органических растворителей, образующих водородные связи хуже, чем вода. Действие этих растворителей определяется контактами с неполярными аминокислотными остатками белка и, тем самым, нарушением гидрофобных взаимодействий. Денатурирующее действие спиртов на белки возрастает с увеличением размеров алифатического радикала.

термодинамика биополимер кровь мембрана

17. Основные функции биологических мембран

Элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, развитию и воспроизведению - это живая клетка - основа строения всех животных и растений. Важнейшими условиями существования клетки (и клеточных органелл) являются, с одной стороны, автономность по отношению к окружающей среде (вещество клетки не должно смешиваться с веществом окружения, должна соблюдаться автономность химических реакций в клетке и ее отдельных частях); с другой стороны, связь с окружающей средой (непрерывный, регулируемый обмен веществом и энергией между клеткой и окружающей средой). Живая клетка - открытая система.

Единство автономности от окружающей среды и одновременно тесной связи с окружающей средой - необходимое условие функционирования живых организмов на всех уровнях их организации. Поэтому важнейшее условие существования клетки, и, следовательно, жизни - нормальное функционирование биологических мембран.

Три основные функции биологических мембран:

барьерная - обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой (селективный - значит, избирательный: одни вещества переносятся через биологическую мембрану, другие - нет; регулируемый - проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от генома и функционального состояния клетки);

матричная - обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие (например, оптимальное взаимодействие мембранных ферментов);

механическая -- обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур.

Кроме того, биологические мембраны выполняют и другие функции: энергетическую - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов; генерацию и проведение биопотенциалов;

рецепторную (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция - мембранные процессы) и многие другие функции.

Общая площадь всех биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров. Относительно большая совокупная площадь связана с огромной ролью мембран в жизненных процессах.

18. Структура биологических мембран

Первая модель строения биологических мембран предложена в 1902 г.

Было замечено, что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого было сделано предположение, что биологические мембраны состоят из тонкого слоя фосфолипидов. На самом деле, на поверхности раздела полярной и неполярной среды (например, воды и воздуха) молекулы фосфолипидов образуют мономолекулярный (одномолекулярный) слой. Их полярные "головы" погружены в полярную среду, а неполярные "хвосты" ориентированы в сторону неполярной среды. Поэтому и можно было предположить, что биологические мембраны построены из монослоя липидов.

В 1925 г. Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя липидов, экстрагированных из мембран эритроцитов, в два раза больше суммарной площади эритроцитов. Гортер и Грендел экстрагировали липиды из гемолизированных эритроцитов ацетоном, затем выпаривали раствор на поверхности воды и измеряли площадь образовавшейся мономолекулярной пленки липидов. На основании результатов этих исследований была высказана идея, что липиды в мембране располагаются в виде бимолекулярного слоя.

Эту гипотезу подтвердили исследования электрических параметров биологических мембран (Коул и Кертис, 1935 г.).

Биологическую мембрану можно рассматривать не только как электрический конденсатор, в котором пластинами являются электролиты наружного и внутреннего растворов (внеклеточного и цитоплазмы) с погруженными в них головами липидных молекул. Проводники разделены диэлектрическим слоем, образованным неполярной частью липидных молекул - двойным слоем их хвостов. Липиды - диэлектрики с диэлектрической проницаемостью ~ 2.

В электронном микроскопе вместо светового пучка на исследуемый объект направляется пучок электронов, разогнанных до больших скоростей.

Известно, что электронам с высокими скоростями тоже присущи волновые свойства, в том числе явления дифракции. Однако при достаточно больших скоростях, согласно формуле де Бройля, длина волны мала и соответственно мал предел разрешения.

В электронном микроскопе достигается увеличение в сотни тысяч раз, что дало возможность исследовать строение клетки, клеточных органелл и биологических мембран.

Недостатком электронной микроскопии является деформация живого объекта в процессе исследования. Перед началом электронно-микроскопических исследований клетка проходит через многие стадии предварительной обработки: обезвоживание, закрепление, ультратонкий срез, обработка препарата веществами, хорошо рассеивающими электроны. При этом изучаемый объект сильно изменяется. Несмотря на это, успехи в изучении клетки при помощи электронного микроскопа несомненны.

При помощи электронной микроскопии удалось получить изображение биологических мембран, на снимках видно трехслойное строение мембраны.

Новая информация о строении мембраны была получена с помощью метода "замораживание-скол-травление". По этому методу клетку охлаждают до очень низкой температуры в жидком азоте. Охлаждение проводится с очень большой скоростью (около 1000 градусов в секунду). При этом вода, содержащаяся в препарате, переходит в твердое аморфное состояние. Затем клетки раскладываются специальным ножом и помещаются в вакуум. Замерзшая вода быстро возгоняется, освобождая поверхность скола (этот процесс и называют сколом). После травления получают реплику (отпечаток со сколотой поверхности) и фотографируют в электронном микроскопе. Замороженные мембраны могут при раскалывании расщепляться в разных направлениях, в том числе и вдоль границы двух липидных монослоев, и поэтому можно видеть их внутреннее строение.

Было обнаружено, что имеются белковые молекулы, погруженные в липидный бислой и даже прошивающие его насквозь. Это привело к существенному изменению представлений о строении мембраны.

Современное представление о структуре мембраны. Совокупность результатов, полученных физическими и химическими методами исследования, дала возможность предложить новую жидкостно-мозаичную модель строения биологических мембран (Сингер и Никольсон, 1972 г.). Согласно Сингеру и Никольсону, структурную основу биологической мембраны образует двойной слой фосфолипидов, инкрустированных белками. Различают поверхностные (или периферические) и интегральные белки.

Липиды находятся при физиологических условиях в жидком агрегатном состоянии, по которому плавают белковые "айсберги". Одним из подтверждений жидкостно-мозаичной модели является и тот факт, что, как установил химический анализ, в разных мембранах соотношение между содержанием белков и фосфолипидов сильно варьирует: в миелиновой мембране белков в 2,5 раза меньше, чем липидов, а в эритроцитах, напротив, белков в 2,5 раза больше, чем липидов. При этом, согласно современной модели, соотношение количества белков и липидов во всех мембранах должно быть примерно одинаково. Тот факт, что не вся поверхность биологической мембраны покрыта белками, показал и метод ядерного магнитного резонанса. Так, например, более чем половина поверхности мембраны кишечной палочки образована полярными головами липидов.

Кроме фосфолипидов и белков, в биологических мембранах содержатся и другие химические соединения. В мембранах животных клеток много холестерина (в сравнимом количестве с фосфолипидами и белками). Есть в мембранах и другие вещества, например гликолипиды, гликопротеиды.

Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны в настоящее время общепринята. Однако, как всякая модель, она дает довольно упрощенную картину строения мембраны. В частности, обнаружено, что белковые "айсберги" не всегда свободно плавают в липидном море, а могут быть "заякорены" на внутренние (цитоплазматические) структуры клетки. К таким структурам относятся микрофиламенты и микротрубочки. Микротрубочки - полые цилиндры диаметром около 300 нм из особого белка (тубулина) играют, по-видимому, важную роль в функционировании клетки.

Выяснилось также, что не все липиды в мембране расположены по принципу бислоя. Физические методы исследования показали, что липидная фаза мембран содержит также участки, где молекулы не образуют двойной слой.

...