Лекции по биофизике
.pdfГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНСТВА ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ»
И.В. Ковалев, И.В. Петрова, Л.В. Капилевич, А.В. Носарев, Е.Ю. Дьякова
ЛЕКЦИИ ПО БИОФИЗИКЕ
Учебно-методическое пособие Под редакцией проф. Баскакова М.Б.
Томск 2007
УДК: 577.3(042)(075)
ББК: E901я7 Л: 436
И.В. Ковалев, И.В. Петрова, Л.В. Капилевич, А.В. Носарев, Е.Ю. Дьякова. Лекции по биофизике: Учебно-методическое пособие / Под редакцией проф. Баскакова М.Б.– Томск, 2007. – 175 с.
Пособие предназначено для студентов 3-5 курсов медико-биологического факультета и студентов 1 и 2 курса фармацевтического факультета Сибирского государственного медицинского университета. Им могут также пользоваться студенты медицинских вузов и биологических специальностей университетов, самостоятельно изучающие основы биофизики.
В пособии систематически изложен теоретический и фактический материал курса общей биофизики, биофизики клетки и биофизики органов и систем.
Печатается по постановлению методической комиссии фармацевтического факультета (протокол №1 от 12.11.2006 г.) Сибирского государственного медицинского университета.
Рецензенты:
© Сибирский государственный медицинский университет, 2007
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ ............................................................................... |
6 |
I. ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ....................... |
11 |
Основные понятия термодинамики. .............................................................. |
11 |
Законы термодинамики ................................................................................... |
12 |
Неравновесная термодинамика ...................................................................... |
16 |
Задачи.................................................................................................................. |
20 |
Тест–задания ...................................................................................................... |
21 |
II. КИНЕТИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ..................................... |
25 |
Введение.............................................................................................................. |
25 |
Молекулярность и порядок реакции ............................................................. |
25 |
Кинетика реакции нулевого порядка ............................................................ |
26 |
Кинетика прямой реакции первого порядка ................................................ |
26 |
Кинетика обратимой реакции первого порядка .......................................... |
26 |
Кинетика реакции второго порядка............................................................... |
27 |
Сложные реакции ............................................................................................. |
28 |
Зависимость скорости реакции от температуры.......................................... |
30 |
Кинетика ферментативного катализа............................................................ |
32 |
Задачи.................................................................................................................. |
37 |
Тест–задания ...................................................................................................... |
39 |
III. КВАНТОВАЯ БИОФИЗИКА....................................................................... |
42 |
Классификация и стадии фотобиологических процессов ........................... |
42 |
Природа света и его физические характеристики. Понятие кванта. |
|
Орбитальная структура атомов и молекул и энергетические уровни. ........ |
42 |
Взаимодействие света с веществом ................................................................ |
43 |
Пути размена энергии возбужденного состояния молекулы ...................... |
45 |
Люминесценция (флюоресценция и фосфоресценция), ее механизмы, |
|
законы и методы исследования....................................................................... |
45 |
Миграция энергии. Виды и условия миграции. Правила Ферстера ......... |
46 |
Фотохимические реакции. Законы фотохимии ............................................ |
47 |
Задачи.................................................................................................................. |
48 |
Тест–задания ...................................................................................................... |
49 |
IV. МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА ............................................................. |
53 |
Предмет молекулярной биофизики ................................................................ |
53 |
Методы исследования биомакромолекул...................................................... |
53 |
Силы внутримолекулярного взаимодействия биомакромолекул ............. |
59 |
Пространственная структура белка ............................................................... |
62 |
Тест–задания ...................................................................................................... |
64 |
V. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОМЕМБРАН............................................ |
67 |
3 |
|
Введение.............................................................................................................. |
67 |
Функции биологических мембран .................................................................. |
67 |
Химический состав мембран ........................................................................... |
68 |
Липид–липидные взаимодействия. Динамика липидов в мембране ........ |
69 |
Белки мембраны и их функции....................................................................... |
71 |
Модель биологических мембран ..................................................................... |
73 |
Сигнальная функция биологических мембран ............................................ |
75 |
Тест–задания ...................................................................................................... |
78 |
VI. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ ...................................... |
81 |
Классификация видов транспорта ................................................................. |
81 |
Методы изучения транспорта ......................................................................... |
82 |
Пассивный транспорт и его виды................................................................... |
82 |
Активный транспорт ........................................................................................ |
86 |
Задачи по IV – VI разделам .............................................................................. |
87 |
Тест–задания ...................................................................................................... |
88 |
VII. ПАССИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ |
|
ОБЪЕКТОВ........................................................................................................... |
91 |
Общие положения ............................................................................................. |
91 |
Действие постоянного электрического тока на биологические объекты. |
|
ЭДС поляризации.............................................................................................. |
92 |
Статическая и поляризационная емкость..................................................... |
93 |
Виды поляризации в биологических тканях ................................................ |
94 |
Проводимость биологических объектов для переменного тока ................ |
94 |
Тест–задания ...................................................................................................... |
98 |
VIII. БИОФИЗИКА ЭЛЕКТРОВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ. |
|
ЭЛЕКТРОГЕНЕЗ ............................................................................................... |
101 |
Общие положения ........................................................................................... |
101 |
Электродный потенциал ................................................................................ |
101 |
Диффузионный потенциал............................................................................. |
102 |
Доннановское равновесие .............................................................................. |
102 |
Ионная теория электрогенеза Бернштейна................................................. |
103 |
Теория постоянного поля и потенциал покоя (ПП) ................................... |
104 |
Потенциал действия (ПД) .............................................................................. |
105 |
Современные методы регистрации биопотенциалов ................................ |
106 |
Ионная природа потенциала действия (ПД). Формальное описание |
|
ионных токов ................................................................................................... |
108 |
Проведение возбуждение по нервным волокнам ....................................... |
113 |
Задачи по разделам VII - VIII ........................................................................ |
117 |
Тест–задания .................................................................................................... |
118 |
IX. БИОФИЗИКА СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ.................................. |
121 |
Общие положения ........................................................................................... |
121 |
4
Электрические синапсы ................................................................................. |
122 |
Химический синапс......................................................................................... |
122 |
X. БИОФИЗИКА СОКРАЩЕНИЯ .................................................................. |
127 |
Введение............................................................................................................ |
127 |
Скелетные мышцы ......................................................................................... |
127 |
Молекулярные механизмы мышечного сокращения................................ |
130 |
Биомеханика скелетной мышцы .................................................................. |
131 |
Миокард............................................................................................................ |
133 |
Гладкая мускулатура...................................................................................... |
140 |
Тест–задания .................................................................................................... |
148 |
XI. БИОФИЗИКА КРОВООБРАЩЕНИЯ...................................................... |
151 |
Введение. Классификация сосудистого русла............................................. |
151 |
Энергетика кровообращения ........................................................................ |
152 |
Основные положения гемодинамики. Закон Гагена–Пуазейля............... |
153 |
Применимость закона Гагена–Пуазейля..................................................... |
154 |
Задачи................................................................................................................ |
154 |
XII.БИОФИЗИКА ДЫХАНИЯ ........................................................................ |
156 |
Введение............................................................................................................ |
156 |
Основные объемы и емкости легкого .......................................................... |
156 |
Основной уравнение биомеханики дыхания. Уравнение Родера ............ |
157 |
Работа дыхания ............................................................................................... |
160 |
Тест–задания по разделам XI – XII............................................................... |
161 |
XIII. БИОФИЗИКА ВСАСЫВАНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ ............................... |
164 |
Введение............................................................................................................ |
164 |
Ассиметричный эпителий и его функции ................................................... |
164 |
Методы изучения трансцеллюлярного транспорта ................................... |
166 |
XIV. БИОФИЗИКА АНАЛИЗАТОРОВ .......................................................... |
167 |
Общие положения ........................................................................................... |
167 |
Орган зрения .................................................................................................... |
168 |
Орган слуха ...................................................................................................... |
170 |
Задачи................................................................................................................ |
172 |
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................. |
174 |
5
ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ
Предмет биофизики
Как самостоятельная наука биофизика возникла в 1966 году, когда был организован международный научный союз биофизиков, и появилось следующее определение этой науки: «Биофизика представляет собой особую ориентацию мысли». Тем не менее, дискуссия о сути биофизики, как науки, продолжается и до сегодняшнего дня.
Биофизика возникла на стыке биологии и физики и, в силу этого, состав биофизиков всегда был неоднороден. До сих пор просматриваются два направления в развитии биофизики, и их ассимиляция происходит не всегда гладко. Так, с одной стороны, физические явления жизнедеятельности принимаются за самостоятельный предмет изучения в отрыве от их биологического значения, и нередко все проявления жизни сводятся к физическим закономерностям. С другой стороны, наоборот, предполагается, что наряду с физическими закономерностями живым системам присущи особые свойства, в принципе необъяснимые с точки зрения физики. По этим причинам определения биофизики несут нередко диаметрально противоположный характер. Например:
«Биофизика – это физическая химия и химическая физика биологических процессов» (П.О.Макаров, 1968).
«Биофизика – физика явлений жизни, изучаемых на всех уровнях» (Волькенштейн, 1981).
И в то же время:
«Биофизика – часть биологии, имеющая дело с физическими принципами построения и функционирования некоторых сравнительно простых биологических систем» (Л.А.Блюменфельд, 1977).
Приведенные формулировки определяют по сути два подхода к биофизике, основанных на противоположных методологиях этих подходов.
Аргументы «физиков» чаще всего сводятся к тому, что многие сложные биологические процессы хорошо укладываются в рамки сравнительно простых математических моделей (ферментативный катализ, фотоинактивация ферментов, популяционная модель «хищник-жертва»).
Сторонники «биологического» подхода утверждают, что в живых системах можно найти множество явлений, не присущих неживой природе. Основным предметом этой затянувшейся дискуссии является вопрос «Сводятся ли все проявления жизни к физико-химическим закономерностям?»
Методологической основой решения данного вопроса стал принцип качественной несводимости. Он предполагает, что по мере накопления научных знаний будут предлагаться физико-химические объяснения биологических проблем и, в то же время, обнаруживаться новые знания о живой природе, не объяснимые на данном этапе с точки зрения физики. Главное практическое следствие из принципа качественной несводимости – лишь «качественный сплав» методов физики и биологии может обеспечить биофизике продвижение
6
вперед. Отсюда наиболее рациональным, на наш взгляд, является определение биофизики, предложенное Н.И. Рыбиным (1990):
«Биофизика – естественнонаучное направление, целью которого является рациональное объяснение связи физического и биологического аспектов живой материи».
История развития биофизики
Можно утверждать, что свою историю биофизика начинает вести с фундаментального трактата Цицерона (II-III век н.э.) «Физиология». Это название происходит от слова физика – так тогда называли науку о природе. Науку же о живой природе Цицерон назвал физиологией. Такое название уже свидетельствует о большой роли физики в формировании науки о жизни.
Изучение физических свойств биологических объектов началось в XVII веке – с тех пор, когда были заложены основы первого раздела физики – механики. В биологии в то время наиболее интенсивное развитие получила анатомия. В этот период опубликованы работы У. Гарвея (1628) «Кровообращение»; Р. Декарта (1637) «Диоптика»; Дж. Борелли (1680) «О движении животных», в которых были представлены основы биомеханики. В 1660 году А. Левенгук изобрел микроскоп, который сразу же нашел широчайшее применение в биологических исследованиях, став, по сути, первым истинно биофизическим методом изучения живой природы.
В XVIII веке в физике происходит развитие разделов гидродинамики, теории газовых состояний, термодинамики, закладываются основы учения об электричестве. В математике формируются методы дифференциального и интегрального исчисления. Ф.Лейбниц предложил понятие «живой силы»- mV2 в противовес количеству движения mV. В это время описаны основные принципы гемодинамики, которые позже относят к биофизике (Л.Эйлер).
Классические эксперименты А. Лавуазье и П. Лапласа, позволившие установить аналогичную природу процессов дыхания и горения, указать на кислород как источник теплоты, опубликованы в трактате «О теплоте» (1783). А. Лавуазье и Ж. Сегэн в «Мемуарах о дыхании животных» описали связь потребления кислорода с совершаемой механической работой.
Следующий серьезный шаг в развитии биофизики связан с открытием Л. Гальвани биологического электричества (1791). Он обнаружил феномен подергивания лягушачьих лапок в ответ на электрический разряд и предположил главную роль электричества в нервно-мышечной передаче. Л. Гальвани установил количественную зависимость раздражения и возбуждения, ввел понятие «порога». В 1837 году Маттеучи, используя гальванометр, впервые зарегистрировал электрический потенциал живых клеток.
В XIX веке классическая физика сформировалась уже в том виде, как мы знаем ее сегодня. На границе XIX – XX веков шло формирование и биофизики как комплексной и целостной системы знаний о живой природе. Сегодня биофизика включает целый ряд разделов, каждый из которых сформировался в
7
самостоятельное научное направление. И если в 1930 – 40-е годы еще можно было считать себя специалистом в биофизике «вообще», то сегодня одному человеку явно не под силу охватить все ее направления.
Что изучает биофизика?
Раздел 1. Общая биофизика. Включает в себя термодинамику биологических систем, кинетику биологических процессов, фотобиологию и молекулярную биофизику.
Биологическая термодинамика, или термодинамика биологических систем, изучает процессы превращения вещества и энергии в живых организмах. Этот раздел биофизики до сих пор создает почву для дискуссий о том, выполняются ли законы термодинамики в живых организмах. Основу этому разделу положили уже упомянутые выше работы А. Лавуазье и П. Лапласа, доказавшие применимость первого закона термодинамики к живым системам. Дальнейшее развитие этого направления привело к описанию Гельмгольцем тепловых эквивалентов пищи. Наибольший вклад в этот процесс внес австрийский биофизик И. Пригожин, доказавший применимость второго закона термодинамики к биологическим системам и положивший начало учению о термодинамике открытых неравновесных систем.
Кинетика биологических процессов – пожалуй, наиболее близкая к физике и химии область биофизики. Скорость и закономерности протекания реакций в живых системах мало отличаются от остальных. Эксклюзивным предметом является – учение о ферментах, о кинетике ферментативных реакций и способах регуляции ферментативной активности, описанная Михаэлисом и Ментен.
Фотобиология, или квантовая биофизика – изучает взаимодействие излучений с живыми организмами. Видимый свет играет исключительно важную роль в биологии как источник энергии (фотосинтез) и информации (зрение). Здесь нужно отметить большой вклад русского ученого М. Ломоносова, предложившего трехкомпонентную теорию цветного зрения, нашедшую затем свое развитие в работах Юнга и Гельмгольца («Физиологическая оптика», 1867). Они описали оптическую систему глаза, явление аккомодации и изобрели «глазное зеркало» – офтальмоскоп, до сегодняшнего дня используемый при исследовании сетчатки.
Молекулярная биофизика – раздел, тесно прилегающий к физической химии и изучающий закономерности образования и функционирования биомакромолекул. Этот раздел начал бурно развиваться лишь во второй половине XX века, так как требует сложного оборудования для проведения исследований. Здесь следует отметить работы Поллинга и Кори по изучению структуры молекул белка, Уотсона и Крика – по изучению молекулы ДНК.
Раздел II. Биофизика клетки. Предметом данного раздела являются принципы организации и функционирования живой клетки и ее фрагментов, биологических мембран.
8
Этот раздел биофизики стал развиваться после появления клеточной теории Шванна. Были описаны структура и функция клеточных мембран (Робертсон, Синджер и Николсон), сформулированы представления об избирательной проницаемости мембран (В. Пфеффер и Х. де Фриз, Овертон), учение об ионных каналах (Эйзенман, Муллинз, Хилле).
Эксперименты Э. Дюбуа-Реймона и теория В. Оствальда о трансмембранной разности потенциалов положили начало учению о биологическом электричестве, о возбудимых тканях и привели к пониманию закономерностей функционирования нервных и мышечных клеток.
Механизмы передачи информации в клетках, учение о первичных и вторичных посредниках и внутриклеточных сигнальных системах – одно из активно развивающихся направлений современной биофизики. Ионы кальция, циклические нуклеотиды, продукты гидролиза мембранных фосфоинозитидов, простагландины, оксид азота – перечень молекул, передающих информацию от мембраны внутрь клетки и между клетками, постоянно пополняется.
Раздел III. Биофизика сложных систем. Естественным этапом в развитии биофизики явился переход к описанию сложных биологических систем. Начав с исследования отдельных тканей и органов, сегодня биофизика анализирует процессы, протекающие на уровне целого организма, надорганизменных систем (популяций и экологических сообществ), биосферы в целом. Делаются попытки использовать биофизические подходы к анализу социальных процессов.
Биофизика все глубже внедряется в медицину. Новые биофизические подходы находят применение в диагностике и лечении различных заболеваний. В качестве примеров можно назвать магниторезонансную томографию, воздействие электромагнитными волнами высокочастотного диапазона, методы клеточной терапии и т.д.
Особенности биофизических методов
Как упоминалось выше, принцип качественной несводимости в биофизике обуславливает необходимость «качественного сплава» методов физики и биологии. Биофизические методы исследования характеризуются рядом общих свойств.
Во-первых, биофизика оперирует количественными методами, позволяющими измерить и объективно оценить исследуемое явление. Этот методологический принцип привнесен из физики.
Во-вторых, биофизика рассматривает изучаемый объект в целом, не расчленяя его. Естественно, что любое измерение неизбежно вносит в изучаемую систему некоторые возмущения, но биофизические методы стремятся свести это возмущение к минимуму. По этой причине в настоящее время широкое распространение в биофизике получают такие методы, как инфракрасная спектроскопия, исследование отраженного света, флуоресцентные методы исследований.
9
В-третьих, важным методологическим принципом биофизики является «стратегия системного подхода». Биофизические методы основываются на неразрывности структуры и функции, рассматривая структурно-функциональные взаимосвязи в живых системах как основной принцип их организации.
Названные особенности определяют биофизику как самостоятельное научное направление, имеющее собственный предмет исследований и методологические подходы. В следующих лекциях будут рассмотрены отдельные разделы биофизики, описаны достижения этой важной науки на современном этапе. Особое внимание будет уделено применению биофизических методов в биологии и медицине.
10