Общая характеристика биофизики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. 1-ый закон термодинамики

Общая сумма энергий материальной системы остается постоянной величиной независимо от изменений, происходящих в самой системе (закон сохр Е):

ДQ = ДU + A

Теплота поглощенная системой из внешней среды идет на увелич внутренней энергии системы и совершения работы против внешних сил. Работа в живых системах не требует притока тепла, совершается за счет внутренних изменений систем, а внутр энергия пополняется за счет поступления извне и распада питательных веществ.

Хим работа - получение сложных молек веществ из простых.

Механическая работа - перемещение органов напр мышц.

Осмотическая - перенос веществ через мембрану. Электрич - создание разности электр потенциалов.

Теплота бывает первичная (основная, результат неизбежного рассеивания тепла в ходе обмена веществ из-за необратимости биохим и биофиз процессов и обратно пропорциональна КПД).

Вторичная теплота - результат полезного расхода Е в результате работы, пропорциональна активности ткани.

2. 2-й закон термодинамики

Устанавливает критерий, отражающий одностороннюю направленность и необратимость процессов независимо от их природы. Все процессы превращения энергии протекают с рассеиванием энергии в виде тепла. Eпот > Eкин> Q

Обратный процесс возможен лишь с затратой энергии. Чем больше энергии переходит в тепло, тем более процесс необратим. Возможность протекания термодинамич процессов, направленность и предел характеризуется энтропией и своб энергией.

3. Энтропия, свободная энергия

Энтропия - отношение тепла образованного в изотермическом процессе к абсолютной температуре в которой протекает процес:

S = Q/T

Изменение энтропии :

dS= dQ/T .

Связь с первым законом:

TДQ = ДU + A.

Изменение энтропии может происходить за счет процесов обмена системы с внешней средой (deS) , либо за счет возникновения энтропии в самой системе в следствии внутренних изменений системы ( diS).

Общая энтропия :

dS=deS+diS

- это исходное положение необратимых процессов.

При обратимых процесах diS = 0;

при необратимых diS>0;

для изолированных систем deS=0 и dS=diS и будет > 0.

Скорость изменения энтропии dS/dT = deS/dT +diS/dT .deS/dT = diS/dT

- это стационарное состояние в открытой системе, при которой общее изменение энтропии =0.

Свободная энергия

ДF=ДU - TДS.

Связанная энергия :

ДU = ДF+TДS .

Связанная энергия не используется в ходе работы и не рассеивается в виде тепла. При постоянной температуре связанная энергия определяется энтропией - чем она выше, тем больше связанной энергии, чем больше связанной энергии тем больше рассеивается тепло, и тем более необратимым является процесс.

Энтропия - мера необратимости процессов, мера деградации и рассеивания энергии.

Согласно 1-му закону термодинамики: Любой самопроизвольный процесс приводит к уменьшению свободной энергии, если он необратим; при обратимом процессе своб энергия системы не изменяется.

2-й закон термодинамики:ДS ?ДQ/T ; для изолированной системы ДS?0 , то есть в изолированной системе энтропия не изменяется в равновесных и возрастает в равновесных процессах. Все процессы в природе ведут к уменьшению свободной энергии и увеличении энтропии.

Состояние системы, при которой ДF = 0 ; S=max - это термодинамическое равновесие, при котором система полностью деградирована и не совершает работу. Система не может самостоятельно выйти из этого состояния, кроме как дать толчок энергии извне. В неживой природе все стремится к термодинам равновесию. 

4. Электрическая активность органов. Токовый диполь и эквивалентный генератор

ЭА органов определяется как электрической активностью отдельных клеток, так и взаимодействием между ними, устройством самого органа, неоднородностью структуры этого органа, процессами регуляции в нем и целым рядом других причин. ЭА отражает в большей степени функциональное состояние клеток, тканей и органов.

Для оценки функционального состояния органа по его электрической активности используется принцип эквивалентного генератора. Он состоит в том, что изучаемый орган, состоящий из множества клеток, возбуждающихся в различные моменты времени, представляется моделью единого эквивалентного генератора. Считается, что этот ЭГ находится внутри организма и создает на поверхности тела электрическое поле, которое изменяется в соответствии с изменением электрической активности изучаемого органа. Термин «эквивалентный» означает, что распределение потенциалов на поверхности тела и их изменение во времени, порождаемое органом, должны быть близки таковым, порождаемым воображаемым генератором. Так, например, в теории Эйнтховена сердце, клетки которого возбуждаются в сложной последовательности, представляется токовым диполем (экв.генератор). Причем считается, что изменение потенциалов электрического поля на поверхности грудной клетки, вызываемое изменением электрического момента диполя, такое же, как и от работающего сердца.

5. Физические основы электрической активности сердца

Наибольшее распространение в медицинской практике в стоящее время получило изучение электрической активности сердца - электрокардиография.

Одной из основных задач теоретической электрокардиографии является вычисление распределения трансмембранного потенциала клеток сердечных мышц по потенциалам, измеренным вне сердца. Физический (биофизический) подход к выяснению связи между биопотенциалами сердца и их внешним проявлением заключается в моделировании источников этих биопотенциалов.

Все сердце в электрическом отношении представляется как некоторый эквивалентный электрический генератор как совокупность электрических источников в проводнике, имеющем форму человеческого тела. На поверхности проводника при функционировании эквивалентного электрического генератора будет электрическое напряжение, которое в процессе сердечной деятельности возникает на поверхности тела человека. Предполагают, что среда, окружающая сердце, безгранична и однородна с удельной электрической проводимостью. Это означает, что в мультипольном эквивалентном генераторе сердца основная часть в потенциал на поверхности тела человека вносится его дипольной составляющей.

Исследуя изменения разности потенциалов на поверхности человеческого тела, можно судить о проекциях дипольного момента сердца, следовательно, о биопотенциалах сердца. Дипольное представление о сердце лежит в основе теории отведений Эйнтховена. Согласно ей, сердце есть диполь с дипольным моментом который поворачивается, изменяет свое положение и точку приложения за время сердечного цикла. В. Эйнтховен предложил снимать разности биопотенциалов сердца между вершинами равностороннего треугольника, которые приближенно расположены в правой руке (ПР), левой руке (ЛР) и левой ноге (ЛН). Разность биопотенциалов, регистрируемая между двумя точками тела, называют отведением.

Различают I отведение (правая рука -- левая рука), II отведение (правая рука -- левая нога) и III отведение (левая рука -- левая нога). Так как электрический момент диполя -- сердца -- изменяется со временем, то в отведениях будут получены временные зависимости напряжения, которые и называют электрокардиограммами. Электрокардиограмма не дает представления о пространственной ориентации вектора рс. Однако для диагностических целей такая информация важна.

6. Автоволновые функции в активных средах

Волна - это процесс распространения колебаний или отдельных возмущений в пространстве, например, механические или электромагнитные волны.

Основным механизмом передачи потенциалов действия в живом организме является распространение волн возбуждения. Так например, автоколебания, возникающие в пейсмекере, распространяются по нервным волокнам и мышечным структурам сердца. Волны возбуждения могут также распространяться по клеткам скелетной мускулатуры, мочевого пузыря, кровеносных сосудов и другим структурам.

Процесс распространения волн возбуждения в тканях организма имеет ряд существенных особенностей по сравнению с механическими и электромагнитными волнами. Во-первых, эти волны распространяются по активным средам.

Активная среда (АС) - это среда, состоящая из большого числа отдельных элементов (например, клеток), каждый из которых является автономным источником энергии. Элементы активной среды имеют контакт между собой и могут передавать импульс возбуждения от одной клетки к другой. Примером активной среды в организме являются нервные волокна и нейронные сети, мышечные структуры сердца, гладко-мышечные волокна сосудов, желудка, а также другие ткани. В таких средах распространяются волны возбуждения, называемые автоволнами.

Автоволны - это самоподдерживающиеся волны возбуждения в активной среде, сохраняющие свои характеристики постоянными за счет распределенных в среде источников энергии. Характеристики волны - период, длина волны, скорость распространения, амплитуда и форма. В установившемся режиме они зависят только от локальных свойств активной среды и не зависят от начальных условий.

Механические и электромагнитные волны в неактивной среде переносят энергию от источника возмущения. Интенсивность волны при этом уменьшается по мере удаления от источника возмущения, то есть волна затухает. Электрические импульсы возбуждения - потенциалы действия распространяются по нервным и мышечным волокнам затухания, так как в каждой точке возбудимой активной среды до которой дошло возбуждение, заново генерируется потенциал действия. Мышечные и нервные волокна являются средами распределенными источниками энергии метаболизма клеток.

Считается, что при распространении волны в активных средах не происходит переноса энергии. Энергия не переносится, а освобождается, когда до участка АС доходит возбуждение. В реальной системе некоторая часть ?Е собственной энергии элемента расходуется на возбуждение последующего элемента, который в свою очередь выделяет собственную энергию Е. При этом в активных средах будет выполняться неравенство: ?Е<<E

Для описания процесса распространения нервного импульса по аксону представим полный ток через мембрану Im:

Уравнения, описывающие распространение волны возбуждения по структурам сократительного миокарда, усложняются тем, что в кардиомиоците потенциал действия формируется дополнительно медленными входящими токами и сложными процессами сопряжений токов в нем.



7. Фотобиофизика. Фотобиологические реакции

Фотобиофизика изучает фотобиологические процессы, протекающие в организмах под действием видимого, ультрафиолетового и ближнего инфракрасного излучений.

Фотобиологические реакции - реакции, возникающие в биологических системах различной сложности под действием света. Различают фотобиологические реакции, протекающие c поглощением кванта света (hн), например, фотосинтез (растений, бактерий, водорослей), фоторецепторные реакции, зрение и др.; а также фотобиологические реакции, протекающие c испусканием кванта света (hн), к ним относятся биолюминесценция и хемилюминесценция. Каждый тип реакций подразделяется на три класса.

Основные характеристики фотобиологических реакций



Фотобиологические реакции проходят в несколько стадий, большинство этих реакций начинаются с поглощения кванта света биологическими молекулами, а завершаются неким биологическим эффектом. Примером биологического эффекта может служить такое хорошо известное явление, как загар кожи.

В основе идеи квантовой механики лежит представление о двойственности природы света. Если в классической тории электрону приписывают только корпускулярные свойства, а свет рассматривают как электромагнитную волну, то в квантовой механике электрон обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

В 1900 году Макс Планк высказал гипотезу: «Излучение и поглощение энергии материей происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами». Величина каждого кванта E0=hn.

В 1907-1908 годах Эйнштейн высказал теорию, что свойство квантования энергии присуще не только процессам излучения и поглощения, но и вообще является свойством света.

Суть теории в том, что свет - это поток световых квантов - фотонов, летящих в пространстве со скоростью света

Фотон не имеет массы покоя, в отличие от других частиц.

Фотон всегда и везде движется со скоростью света. Т.о. распространение света в веществе сопровождается процессами переизлучения фотонов: фотоны испускаются и практически тут же поглощаются и т.д. Связь между корпускулярными свойствами фотона и волновыми осуществляется через частоту излучения.

Взаимодействие фотонов с веществом при прохождении света через какую-либо оптическую систему (дифракционную решетку, например) ведет перераспределению фотонов в пространстве и возникновению интерференционной картины на экране, освещенность отдельных точек которого прямо пропорциональна суммарным энергиям фотонов, попадающих в эту точку за единицу времени.

В 1913 году Нильс Бор в теории о строении атома сформулировал два постулата:

1) Постулат стационарных орбит (состояний) - существуют определенные стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергию.

2) Постулат частот - при переходе из одного стационарного состояния в другое атом излучает/поглощает квант электромагнитной энергии - фотон.

9. поглощение света. Закон Бугера Ламберта , бера

Поглощение света - это явление уменьшения интенсивности света при прохождении его через вещество. Уменьшение интенсивности света происходит в результате того, что энергия света переходит в другие виды энергии: энергию активизации, ионизации молекул, энергию теплового хаотического движения частиц в веществе и др . При прохождении монохроматического света через окрашенные растворы небольшой концентрации (С ? 20%) и при условии, что растворитель не поглощает данную длину волны, интенсивность света также убывает по экспоненциальному закону. Закон поглощения света для окрашенных растворов называют законом Бугера-Ламберта-Бера: I= Io* e^- чcd, где С - концентрация раствора; ч - показатель поглощения для раствора единичной концентрации, зависит от природы растворенного вещества и длины волны падающего света.

8. Спектральные свойства и характеристики хромофоров. Диаграмма Яблонского

Хромофор - молекула, способная поглощать свет определенного диапазона длин волн.

Так, карбонильная группа СО является хромофором, поглощающим в области 280 нм, в то же время кетоны - бесцветные вещества.

Первичными стадиями фотобиофизического процесса являются поглощение света хромофорной группой и образование электронно- возбужденных состояний (ЭВС). При поглощении света молекулы, ионы, атомы, радикалы и другие типы частиц, участвующих в химических превращениях, могут переходить в электронно-возбужденные состояния. В них происходит изменение физических и химических свойств молекул по сравнению с основным состоянием. Меняются дипольный момент, геометрия, распределение электронной плотности, кислотно-основные свойства и т. д., и молекулы в возбужденном состоянии обладают иной реакционной способностью, что проявляется не столько в изменении скорости реакции, сколько в их ином, по сравнению с основным состоянием, направлении. Поглощение и испускание света хорошо иллюстрирует диаграмма уровней энергии, предложенная Яблонским

В основном состоянии все электроны занимают самые низшие электронные уровни и расположены на орбиталях попарно, причем их спины имеют противоположное направление (антипараллельны). Такое состояние молекулы называют синглетным невозбужденным (основным) состоянием и обозначают как S0. Так же обозначают энергетический уровень невозбужденной молекулы

При поглощении света происходит переход одного из электронов на вышележащую орбиталь, но его спин не меняется. Такое состояние молекулы и ее энергетический уровень обозначают как S1 или S2 в зависимости от того, на какой уровень перешел электрон. Это синглетное возбужденное состояние обозначают как S*. Основное, первое и второе электронные состояния обозначают S0, S1, и S2 соответственно. Каждый из этих уровней энергии может состоять из множества колебательных энергетических уровней, обозначаемых 0, 1, 2 и т. д. Влияние растворителя в данной схеме во внимание не принимается. Переходы между различными электронными уровнями обозначены вертикальными линиями. Такое представление используется, чтобы наглядно показать мгновенную природу поглощения света. Этот процесс происходит примерно за 10-15 с - время, слишком короткое для заметного смещения ядер.

9. Общая характеристика структуры молекул

- электрически нейтральная частица, образованная из двух или более связанных ковалентными связями атомов.

Молекула данного вещества имеет постоянный состав, то есть одинаковое количество атомов, объединённых химическими связями, при этом химическая индивидуальность молекулы определяется именно совокупностью и конфигурацией химических связей, то есть валентными взаимодействиями между входящими в её состав атомами, обеспечивающими её стабильность и основные свойства в достаточно широком диапазоне внешних условий.

11. Виды взамодействия в макромолекулах

Образование молекул происходит за счет химической связи. Виды химической связи: ковалентная (неполярная, полярная), ионная, донорно-акцепторная, металлическая, межмолекулярная.

1. Ковалентная неполярная связь возникает при образовании общих электронных пар и при перекрывании электронных облаков, равномерно расположенных между ядрами одноименных атомов. Она наблюдается в таких полимерно-кристаллических веществах как, алмаз, сера. Такие вещества обладают высокими диэлектрическими свойствами.

2. Ковалентная полярная (гомеополярная) связь возникает между атомами разных элементов. Возникающая область перекрывания электронных облаков смещена к более электроотрицательному элементу. Этот вид связи распространен в органических и элементорганических соединениях, имеющих связи C-O, C-H, C-N, C-S и другие. Длина связи зависит от размера атомов и количества связей и изменяется от 0,076 до 0,177 нм. В зависимости от числа валентных электронов и числа образующихся связей молекулы имеют определенную геометрическую форму или структуру. Так у углерода в молекулах органических соединений возможны следующие структуры молекул.

Если углерод образует связи с четырьмя атомами, что соответствует sp3 гибридизации, то структура - тетраэдрическая с валентным углом 109°. Если углерод образует три связи - этиленовая плоская структура, две связи - ацетиленовая линейная. Валентные углы при этом изменяются в пределах от 109° до 120°.

Каждая ковалентная связь имеет свою энергию связи. Чем больше выделяется энергии при образовании связи, тем связь прочнее. Двойная связь прочней, чем одинарная, а тройная еще более прочная. Величина энергии связи составляет от 200 до 1000 кДж/моль.

3. Ионная связь характеризуется притяжением положительных и отрицательных ионов между собой. Обычно она возникает между металлами и неметаллами. Типичные ионные связи в щелочно-галоидных соединениях - NaCl

Na0 - 1e? > Na+

Cl0 + 1e? > Cl?

Энергия ионной связи кроме энергии электростатического взаимодействия ионов Wэ включает энергию сродства к электрону атома неметалла Wср и энергию ионизации атома металла Wи. Расчетное значение энергии ионной связи молекулы NaCl

WNaCl = - Wи + Wср + Wэ = - 5.1 + 3.7 + 5.7 = 4.3 эВ = 420 кДж/моль,

что согласуется с экспериментальным значением - 411 кДж/моль.

4. Донорно-акцепторная связь. Характеризуется тем, что атомы примесей некоторых элементов отдают по одному электрону в кристаллическую решетку основного элемента. Такие атомы (имеющие пары электронов) называются донорами, а примесные атомы, которые захватывают электроны из основного элемента, называются акцепторами. Примесные атомы имеют малую энергию связи с электронами, по сравнению с атомами основного элемента. Поэтому доноры являются поставщиками электронов в зону проводимости, создавая проводимость n- типа, а акцепторы - дырок в валентную зону, создавая проводимость p- типа. Таким образом, легирующие примеси некоторых элементов в кристаллической структуре веществ, создавая донорно-акцепторные связи, значительно увеличивают проводимость полупроводника.

Примером веществ, в которых наблюдается донорно-акцепторная связь, служат элементы IV группы периодической системы, например, германий с донорной примесью мышьяка и акцепторной примесью индия и кремний с донорной примесью фосфора и акцепторной примесью бора или алюминия.

5. Металлическая связь возникает в металлах. Их большинство в периодической системе. Они имеют кристаллическое строение и характеризуются особыми свойствами:

высокая электрическая проводимость (106 - 108 См·м?1);

высокая теплопроводность (от долей единиц до 420 Вт/(К·м));

высокая ковкость;

пластичность;

металлический блеск и высокая отражательная способность по отношению к свету.

Энергия связи атомов металле составляет от 100 до 400 кДж/моль.

У большинства металлов на внешней электронной оболочке малое число электронов (1, 2, 3) и большое число вакантных орбиталей. Поэтому энергетически выгодно, чтобы электроны не были локализованы, а принадлежали всему металлу. Согласно теории свободных электронов в узлах решетки металла находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в "электронный газ".

Между положительными ионами металла и нелокализованными отрицательными электронами существует электростатическое взаимодействие, обеспечивающее устойчивость вещества. Эти электроны и создают высокую электропроводность, теплопроводность, ковкость пластичность и пр.

6. Межмолекулярная связь (силы Ван-дер-Ваальса). Это наиболее общий вид связи. Характеризуется как силой притяжения молекул в веществе между собой, так и силой их отталкивания. При этом образуются молярные структуры (мицеллы, фибриллы, глобулы, микрокристаллы) за счет притяжения между низкомолекулярными и особенно высокомолекулярными молекулами, что имеет большое значение для диэлектрических, механических и физических свойств (прочность, твердость, эластичность, прозрачность, влагопроницаемость). Энергия Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий невысока: от 10 до 60 кДж/моль. Силы Ван-дер-Ваальса проявляются при взаимодействии молекул с насыщенными связями H2, O2, N2, CH4, Ar, Ne.

Различают следующие разновидности межмолекулярной связи.

а) Водородная связь - связь между атомом водорода, соединенным ковалентной связью с каким либо атомом в одной молекуле и более электроотрицательным атомом (фтором, хлором, серой, азотом, кислородом и др.) в другой молекуле.

б) Ориентационное взаимодействие наблюдается у дипольных (полярных ) молекул, притягивающихся друг к другу при сближении разноименных по заряду концов диполей. Молекулы при этом взаимно ориентируются, преодолевая дезориентирующее влияние теплового движения. Наибольшая взаимная ориентация достигается при низких температурах.

в) Индукционное притяжение наблюдается также у полярных молекул. Диполи (полюса) молекул могут воздействовать на неполярные молекулы, превращая их в индуцированные (наведенные) диполи:

г) Дисперсионное взаимодействие. В любой молекуле возникают флуктуации (случайное отклонение от среднего значения) электрической плотности, в результате чего появляются мгновенные диполи, которые в свою очередь индуцируют мгновенные диполи у соседних молекул и происходит взаимное притяжение.

Движение мгновенных диполей становится согласованным, их появление и распад происходит синхронно.

13. фотохимические реакции. Квантовый выход, продукты распада, Основные законы фотохимии

Фотохимические реакции -- химические реакции, которые инициируются воздействием электромагнитных волн, в частности -- светом. Примерами фотохимических реакций являются фотосинтез в растениях, распад бромида серебра в светочувствительном слое фотопластинки, превращение молекул кислорода в озон в верхних слоях атмосферы. Важнейшим параметром фотохимической реакции служит квантовый выход г:

В зависимости от типа фотохимической реакции квантовый выход может меняться в широких пределах. Это связано с возможностью потери поглощенной энергии до фотопревращения. Если время существования фотовозбужденной молекулы и скорость фотодиссоциации совпадают, то г ~ 1. При г >> 1 фотореакция идет по цепному механизму.

В результате реакции фотодиссоциации происходит разрыв химических связей с образованием свободных радикалов.

Первый закон связывает фотохимические превращения в веществе с поглощением света и характеризует качественную сторону фотохимических процессов. Связь фотохимических превращений в веществе с поглощением света определена в 1818 г. русским ученым Ф. И. Гротгусом: химические превращения в веществе могут вызывать только те лучи, которые этим веществом поглощаются.

Галогениды серебра поглощают лишь часть лучей видимой зоны спектра. Они чувствительны только к ультрафиолетовым, фиолетовым и сине-голубым лучам. Это их собственная (природная) чувствительность.

Второй закон дает количественную оценку фотохимическим превращениям в веществе. Его сформулировали Р. В. Бунзен и Н. Е. Роско в 1855 г. и назвали законом взаимозаместимости: величина фотохимического эффекта в светочувствительном веществе определяется количеством освещения - экспозицией, т. е. произведением интенсивности света на время его воздействия:

.

Этот закон называют законом взаимозаместимости для освещенности и времени. Так, изменяя как угодно обе величины (освещенность и продолжительность действия света), можно получать один и тот же фотохимический эффект, если их произведение (экспозиция) остается неизменным. Согласно этому закону, прошедшее через объектив большое количество света в короткий промежуток времени или, наоборот, малое количество света в течение большого промежутка времени дадут одинаковую экспозицию. Следует отметить, что достижение заданного уровня плотности изображения обеспечивает только строго определенная экспозиция. Из закона следует, что нет никакого различия, при каких условиях была получена оптимальная экспозиция, лишь бы соблюдалось условие Еt = const.

Третий закон устанавливает связь между поглощением света веществом и фотохимической реакцией и носит название закона квантовой эквивалентности. Он был сформулирован А. Эйнштейном в 1912 г. на основе квантовой теории света в виде закона о фотохимическом эквиваленте: в фотохимическом превращении каждый поглощенный веществом квант излучения делает способной к реакции одну отдельную молекулу этого вещества.

Практический смысл этого закона состоит в том, что для получения необходимого фотографического эффекта нужно подобрать определенную оптимальную экспозицию.

14. люминесценция.

Люминесцемнция -- нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке.

Первоначально явление люминесценции использовалось при изготовлении светящихся красок и световых составов на основе так называемых фосфуров, для нанесения на шкалы приборов, предназначенных для использования в темноте. Важной особенностью люминесценции является то, что она способна проявляться при значительно более низких температурах, так как не использует тепловую энергию излучающей системы. За это люминесценцию часто называют «холодным свечением».

Критерий длительности, введённый Вавиловым, позволяет отделить люминесценцию от других видов нетеплового излучения: рассеяния и отражения света, комбинационного рассеяния, излучения Черенкова. Длительность их меньше периода колебания световой волны (то есть <10?10 c).

Физическая природа люминесценции состоит в излучательных переходах электронов атомов или молекул из возбуждённого состояния в основное. При этом причиной первоначального их возбуждения могут служить различные факторы: внешнее излучение, температура, химические реакции и др.

Вещества, имеющие делокализованные электроны (сопряжённые системы), обладают самой сильной люминесценцией. Антрацен, нафталин, белки, содержащие ароматические аминокислоты и некоторые простетические группы, многие пигменты растений и в частности хлорофилл, а также ряд лекарственных препаратов обладают ярко выраженной способностью к люминесценции.

Многие формы природной люминесценции были известны людям очень давно. Например, свечение насекомых (светлячки), свечение морских рыб и планктона, полярные сияния, свечение минералов, гниющего дерева и других разлагающихся органических веществ. В настоящее время к природным формам прибавилось много искусственных способов возбуждения люминесценции. Твёрдые и жидкие вещества, способные люминесцировать, называют люминофорами.

Чтобы вещество было способно люминесцировать, его спектры должны иметь дискретный характер, то есть его энергетические уровни должны быть разделены зонами запрещённых энергий. Поэтому металлы в твёрдом и жидком состоянии, обладающие непрерывным энергетическим спектром, не дают люминесценции. Энергия возбуждения в металлах непрерывным образом переходит в тепло. И лишь в коротковолновом диапазоне металлы могут испытывать рентгеновскую флуоресценцию, то есть под действием рентгеновского излучения испускать вторичные Х-лучи.

12. Флуоресценция и биологические объекты

Много направлений в биофизике, молекулярной и клеточной биологии возникли и развиваются именно благодаря внедрению новых методов, базирующихся на флуоресценции. Для биофизиков флуоресценция стала быстрым и чувствительным методом исследования структуры, динамики и функций биологических макромолекул -- нуклеиновых кислот и белков. Метод секвенирования ДНК благодаря работам Сэнгера был значительно усовершенствован во второй половине 1980-х годов именно благодаря внедрению флуоресцентной детекции. Важным следствием этого стала высокая скорость и надёжность секвенирования. Кроме того, метод был автоматизирован.

Важной группой флюорофоров являются флуоресцентные белки. Первый представитель этого класса -- зелёный флуоресцентный белок-- был выделен из медузы Aequorea victoria в 1962 году. Это относительно небольшой белок с молекулярной массой 27 кДа, который поглощает синий свет и флуоресцирует зелёный.

Благодаря конфокальной флуоресцентной микроскопии и разработке новых флуоресцентных меток на базе зелёного флуоресцентного белка (ЗФБ) и его аналогов появилась возможность получать специфически контрастную окраску и делать фотоснимки с высоким разрешением многих внутриклеточных белковых структур. Разработка новых флуоресцентных зондов -- веществ, изменяющих флуоресценцию, когда к ним присоединяется определённая молекула -- дала возможность детально исследовать химический состав живых клеток и даже организмов, а также его изменение во времени и пространстве.

Способностью флуоресценции обладают далеко не все химические соединения. Например, из двадцати протеиногенных аминокислот флуоресцентными свойствами обладают всего три: фенилаланин, тирозин, и триптофан. Флуоресценция последнего широко используется для изучения конформаций, динамики и взаимодействий триптофансодержащих белков. Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, входящие в состав ДНК и РНК, почти не флуоресцируют при нормальных условиях.

13. Флуоресцентная микроскопия

- метод получения увеличенного изображения с использованием люминесценции возбуждённых атомов и молекул образца. В флюоресцентном микроскопе образец облучается светом с большейчастотой, а изображение получают в оптическом спектре. Излучение образца, соответственно, пропускается через фильтр, отсекающий свет на частоте возбуждения. Изображение флюоресцентного препарата может сфотографировано специализированной цифровой камерой, позволяющей делать снимки с большой выдержкой. Для некоторых изображений это время может достигать 60 минут.

Одним из видов флюоресцентной микроскопии является конфокальная микроскопия -- метод, позволяющий получать изображения с некоторой глубины в середине образца. Простейший метод, с помощью которого можно исследовать поверхность, называют эпифлуоресцентной микроскопией.

14. Хемилюминесценция

- излучение тел в видимом диапазоне при протекании химической реакции. Основывается данный эффект на том, что в результате некоторых химических взаимодействий может выделяться энергия, причем выделяется она в виде света. Связано это с переходами электронов между энергетическими уровнями. По закону сохранения, электрон, переходя с более высокого энергетического уровня на более низкий должен отдать часть своей энергии, равную разности энергий этих уровней. Отдача может происходить как в виде выделения тепла, так и в форме испускания кванта света.

Процесс хемилюминесценции разделяют на 2 этапа:

1) Образование продукта в электронном возбужденном состоянии (хемилюминесцентная реакция); Это означает, что в получившемся веществе электроны молекул или атомов занимают не все нижние уровни, и существуют пустые незаполненные места.

A + B -> C*

2) Испускание кванта света (люминесценция); Электронам энергетически выгоднее перейти на более низкие уровни, если там есть незаполненные места.

C* -> C + фотон

15. Биолюминесценция

Биолюминесценцией называют свечение живых организмов. Оно осуществляется за счет специальных химических реакций, проходящих с выделением света.

Светящиеся виды встречаются как среди одноклеточных организмов (бактерии, радиолярии и др.), так и среди многоклеточных (грибы, медузы, кальмары, рыбы, рачки, жуки, комары и др.).

Многоклеточные животные обычно излучают свет не всем телом, а только специальными клетками фотоцитами, часто сгруппированными в особые органы свечения - фотофоры. Иногда фотофоры светятся непрерывно благодаря обитающим в них симбиотическим фотобактериям. Но обычно свечение происходит в виде коротких вспышек и контролируется нервной системой.

Биолюминесценция бывает внутриклеточная или секреторного типа. В последнем случае компоненты биолюминесцентной реакции «выбрасываются» из организма в виде покрывающей его слизи или расплываются вокруг него в воде, как большое световое облако.

Как и всякая люминесценция, биолюминесценция наблюдается вследствие дезактивации возбужденных молекул - эмиттеров. Эти эмиттеры возникают в организмах в ходе специальных биохимических реакций.

Биолюминесцентные реакции представляют собой окисление люциферина кислородом воздуха, катализируемое люциферазой. Во время такого ферментативного окисления люциферина выделяется большое количество энергии (40-80 ккал/моль), переводящее промежуточный продукт этой реакции в возбужденное состояние.



Химически разные биолюминесцентные реакции объединяет несколько характерных черт. 1. Всем этим реакциям абсолютно необходим молекулярный кислород.

2. Люциферины, как правило, представляют собой хорошо флуоресцирующие соединения. Все они характеризуются сходными спектрально-люминесцентными свойствами

3. В подавляющем большинстве случаев обязательным участником реакции является специфический белковый компонент - фермент люцифераза.

4. Излучение биолюминесценции происходит с возбужденного промежуточного фермент-субстратного комплекса (эмиттера).

Весь цикл преобразований в ходе биолюминесцентной реакции условно разбивается на четыре стадии.

I. Образование промежуточных фермент-субстратных комплексов (интермедиатов).

II. Элементарный акт возбуждения и переход некого интермедиата в эмиттер.

III. Испускание кванта света.

IV. Релаксация люциферазы в исходное состояние.

Эффективность биолюминесцентных реакций характеризуются величиной, называемой квантовым выходом биолюминесценции. Эта характеристика определяется как отношение числа прореагировавших молекул к числу излученных квантов. Квантовый выход люциферазных реакций высок (0,1-1). Это связано с образованием промежуточных продуктов в форме фермент-субстратных комплексов, защищающих эмиттер от процессов переноса и превращения энергии, конкурирующих с испусканием света.

16. Повреждающее действие света

Широко известны такие вредные последствия ультрафиолетового облучения, как развитие рака кожи, фототоксичность, фотоаллергии и др.

Фототоксичность вещества -- способность веществ понижать устойчивость клеток к неблагоприятному воздействию света (такие вещества, как: антибиотики, эфирные масла). Механизм: под действием ультрафиолета в тканях живых организмов, преимущественно в коже, из молекул фототоксичных веществ возникают свободные радикалы, и начинается гибель отдельных клеток, и, как следствие -- мощное воспаление и «внутренние ожоги».

Фотоаллергия, механизм: При фотоаллергической реакции химическое вещество (лекарственное средство), содержащееся в коже, поглощает фотоны и образует новое соединение, которое связывается с цитоплазматическими или мембранными белками, образуя антиген. На этот антиген развивается аллергическая реакция

Средневолновое УФ излучение (280 - 320 нм) обладает наибольшей биологической активностью и способно даже в низких дозах оказывать повреждающее воздействие на субклеточные структуры. Достаточно хорошо изучено влияние УФ на репродуктивную гибель клеток, вызванную повреждением их ДНК. Ключевым моментом в повреждении клеточных мембран УФ излучением является процесс перекисного фотоокисления липидов (ПФОЛ), приводящий к изменению структуры мембраны и нарушению ее целостности в результате формирования гидрофильных пор. Важная роль в инициации этих событий принадлежит перекисям и гидроперекисям липидов, которые всегда присутствуют в небольших количествах в липидных системах вследствие их автоокисления и поглощают средневолновое УФ излучение.

17. Флуоресцентные зонды

Флуоресцентный зонд - это молекулярная конструкция, которая может существовать в двух состояниях: «выключенном» и «включённом». Переход между «включён» и «выключен» состояниями зависит от наличия в среде зонда тех молекул, которые он должен распознавать.

Флуоресцентный зонд состоит из двух основных компонентов: 1) рецептора, который связывается с молекулой, которую надо обозначить; 2) флюорофора, который реагирует на изменение окружения, меняя флуоресценцию.

Два известных зонда:

АНС - флуоресцентный зонд, нековалентно связывающийся с белками и неполярными областями мембран. При связывании АНС с белками или мембранами его флуоресценция значительно возрастает, так как квантовый выход флуоресценции АНС зависит от полярности его окружения и увеличивается в гидрофобных средах.

Пирен - гидрофобный флуоресцентный зонд, способный встраиваться в неполярные области между жирнокислотными цепями фосфолипидов бислоя мембран. токовый диполь генератор хромофор

АНС и пирен использовались для выявления нарушений в структуре мембран клеток и изменения мембранного потенциала при гипертонической болезни, миокардите и др.

18. Методы исследования флуоресценции

Методы исследования флуоресценции конкретных веществ обладают высокой чувствительностью, а также удобным временным диапазоном, так как испускание флуоресценции происходит через 10-8 с после поглощения света. За это время происходит множество различных молекулярных процессов, которые влияют на спектральные характеристики флуоресцирующего соединения. Исследование флуоресценции позволяет получить информацию о состоянии живых систем, не повреждая их, и не требует большого количества биологического материала. Имея такие преимущества, флуоресцентные методы позволяют просто и экономично решить многие задачи клинической диагностики, экологического контроля и физико-химического анализа и все шире применяются в медицинских и биохимических исследованиях.

19. Флуоресценция. Сдвиг Стокса. Правило зеркальной симметрии

Флуоресценция -- физический процесс, разновидность люминесценции. Флуоресценция -- испускание света веществом после поглощения им излучения - обусловлено переходом молекул из возбужденного синглетного состояния в основное состояние. Флуоресценция затухающая, в отличие от фосфоресценции, в течение короткого времени после прекращения возбуждения.

Стоксов сдвиг -- разница длин волн максимумов спектров поглощения и флуоресценции. Измеряется в обратных сантиметрах, реже в нанометрах. Когда система (молекула или атом) поглощает энергию, она переходит в возбужденное состояние. Существует несколько возможностей для её возврата в основное состояние. Одним из них является испускание. Вследствие разных причин часть поглощенной энергии теряется в безызлучательных процессах. В результате этого испущенный фотон имеет меньшую энергию, и, следовательно, большую длину волны, чем поглощенный. Стоксов сдвиг является обобщением и уточнением правила Стокса-Ломмеля, согласно которому длина волны фотолюминесценции больше, чем длина волны возбуждающего света, то есть энергия фотонов люминесценции меньше энергии фотонов возбуждающего света.

Правило зеркальной симметрии. Л. Левшиным было установлено, что для некоторых классов органических молекул спектры поглощения и спектры излучения обладают зеркальной симметрией как по положению, так и по форме. Формулировка правила зеркальной симметрии следующая: спектры поглощения и излучения, изображенные в функции частот, оказываются зеркально симметричными относительно прямой, проходящей перпендикулярно к оси частот через точку пересечения кривых обоих спектров.

Рисунок - Зеркальная симметрия спектров поглощения e = f(n ) (кривая 2) и флуоресценции = f(n ) (кривая 1)

20. Основные законы термодинамики

Термодинамика - раздел физики, рассматривающий явления, связанные с взаимопревращением механической и внутренней энергий и передачей внутренней энергии от одного тела к другому. Термодинамической системой называется совокупность тел, выделенная для рассмотрения вопросов термодинамики.

Первый закон термодинамики. Общая сумма энергий материальной системы остается постояннойвеличиной независимо от изменений, происходящих в самой системе - закон сохранения энергии. Количество тепла, сообщаемое системе, затрачивается на приращение внутренней энергии системы и совершение системой работы над внешними телами

А - работа, совершаемая системой над внешними телами; А' - работа совершаемая внешними телами над системой.

I закон термодинамики, адиабатный процесс

U = - A

Адиабатным называется процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q = 0).

I закон термодинамики, изохорный процесс

I закон термодинамики, изотермический процесс

I закон термодинамики, изобарный процесс

(p = const)

Q = U + U + pV

Второй закон термодинамики:

Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Второй закон термодинамики непосредственно связан с необратимостью реальных тепловых процессов. Энергия теплового движения молекул качественно отличается от всех других видов энергии - механической, электрической, химической и т. д. Энергия любого вида, кроме энергии теплового движения молекул, может полностью превратиться в любой другой вид энергии, в том числе и в энергию теплового движения. Последняя может испытать превращение в любой другой вид энергии лишьчастично. Поэтому любой физический процесс, в котором происходит превращение какого-либо вида энергии в энергию теплового движения молекул, является необратимым процессом, т. е. он не может быть осуществлен полностью в обратном направлении.

Общим свойством всех необратимых процессов является то, что они протекают в термодинамически неравновесной системе и в результате этих процессов замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия.

Возможность протекания процессов, их направленность и предел характеризуются энтропией и свободной энергией. Энтропия - S = Q/T. Свободная энергия: E = ДF = ДU - T ДS, where T ДS - связанная E - не используется для совершения работы, а рассеивается в виде тепла. Чем выше S, тем больше T ДS, тем больше E рассеивается в тепло и тем более необратимым является процесс. S - это мера необратимости процессов, мера деградации и рассеяния энергии. Согласно 2 - му закону термодинамики любой самопроизвольный процесс приводит к уменьшению T ДS, если процесс необратим, а при обратимом процессе T ДS системы не изменяется. Для изолированной системы: ДS ? 0. S не изменяется в равновесных и возрастает в неравновесных процессах. В природе - S увеличивается.

Таким образом, энтропия указывает направление самопроизвольно протекающих процессов. Рост энтропии указывает на приближение системы к состоянию термодинамического равновесия. В состоянии равновесия энтропия принимает максимальное значение.

В 1878 году Л. Больцман предложил рассматривать энтропию как меру вероятности состояния термодинамической системы. Все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутой системе, приближающие систему к состоянию равновесия и сопровождающиеся ростом энтропии, направлены в сторону увеличения вероятности состояния.

Всякое состояние макроскопической системы, содержащей большое число частиц, может быть реализовано многими способами. Термодинамическая вероятность Wсостояния системы - это число способов, которыми может быть реализовано данное состояние макроскопической системы, или число микросостояний N, осуществляющих данное макросостояние. По определению термодинамическая вероятность W >> 1.

P=W/N, где P - математическая вероятность. Наибольшее число микросостояний соответствует равновесному состоянию, при котором молекулы равномерно распределены по всему объему. Поэтому равновесное состояние является наиболее вероятным. С другой стороны равновесное состояние является состоянием наибольшего беспорядка в термодинамической системе и состоянием с максимальной энтропией.

Согласно Больцману, энтропия S системы и термодинамическая вероятность W связаны между собой следующим образом:

21. Движение крови в капиллярах

Гемодинамика описывает законы движения крови по сосудам. Регуляция давления и скорости кровотока на входе в капилляр осуществляется ха счет сужения или расширения артериол, предшествующих капиллярной сети.

Параметры: давление



,т.е.

сила со стороны движущейся крови на единицу площади поверхности сосуда,

;объемная скорость Q, т.е. объем крови, протекающий в единицу времени через сечение сосуда

, ;

линейная скорость н, т.е. путь, частицей крови в единицу времени

, .

Объемная и линейная скорости связаны , где S-площадь поперечного сечения сосуда.

Поскольку кровь несжимаема, т.е. ее плотность всюду одинакова, то выполняется закон неразрывности струи: в любом месте потока, т.е. через любое поперечное сечение магистрального сосуда или системы параллельных капилляров в единицу времени протекают одинаковые объемы жидкости.

В реальных, т.е. вязких жидкостях, в частности, в кровотоке потенциальная энергия расходуется на преодоление внутреннего трения, поэтому давление Р вдоль сосудистой системы падает.

Следствие:Поскольку радиусы Rкап :Rарт :Rаорты = 1:500:3000, то гидравлическое сопротивление для одной и той же длины сосуда Wкап >Wарт >Wаорты Линейная скорость в капиллярах самая маленькая.Именно медленное движение элементов крови в капиллярах обеспечивает обмен веществ.

22. Методы исследования макромолекул

1. Световая микроскопия

2. Электронная микроскопия, преимущества и недостатки. Разновидности электронной микроскопии

3. Метод культуры клеток и тканей

4. Авторадиография

5. Дифференциальное центрифугирование

23. Биофизика белка. Структура. Устойчивость

Белки высокомолекулярные соединения со строго определенным химическим строением. Молекула белка состоит из одной или нескольких полипептидных цепей, образованных в результате поликонденсации аминокислот. Аминокислотная последовательность определяет пространственную структуру белка, а структура эта уже определяет его функцию, -- т.е. с кем этот белок взаимодействует и что при этом делает. При объединении аминокислот в белковую цепь образуются пептидные связи (-NH-СO-), на одном конце которых находится NH+3группа, на другом COO- группа.

Особенностью связи является то, что 4 атома N,H,C,O располагаются в одной плоскости. Из химии известно, что вращение в молекуле вокруг ординарной связи приводит к появлению поворотных изомеров.

В белках вращение вокруг пептидной связи C-N затруднено (энергия активации 40 - 80 кДж/моль), т.к. эта связь имеет характер двойной связи и, кроме того, в пептидной группе имеет место водородная связь между группой С=O и атомом водорода группы N-H (с энергией активации 20-30 кДж/моль).

Поэтому белок можно рассматривать как цепь связанных друг с другом плоских пептидных звеньев. Вращение этих звеньев возможно лишь вокруг одинарных связей -углерода и аминокислот.

Нахождение наиболее устойчивой конформации белковой цепи требует минимизации ее полной энергии, включая энергию внутримолекулярных водородных связей. Полинг и Кюри установили 2 основных варианта структуры белковой цепи, которые называются -спираль и -форма.

-спираль может быть правозакрученной и левозакрученной. -формы бывают параллельные и антипараллельные.

Кроме того, в белках встречаются участки, не образующие никакой регулярной структуры.

Аморфные участки - депо строительного материала, который в случае необходимости используется для построения упорядоченных участков.

Первичная структура полипептидной цепи представлена последовательностью АК остатков, соединённых пептидными связями. Возможные конфигурации пептидной цепи прежде всего обусловлены плоским строением пептидной связи.

Вторичная структура

1. б-структура.

Стабилизирована водородными связями между H пептидной группы и карбонильным O отстоящим на 4 АК остатка. В образовании спирали участвуют все пептидные группы. Так как задействуются все водородные связи, спираль приобретает гидрофобные свойства. Вся спираль представляет собой диполь, "+" на N-конце и "-" на C-конце. б-спираль является самой устойчивой вторичной структурой и самой часто встречающейся.

...