Предмет и задачи биол. термодинамики. Термодин-ие системы, их класс-ция. Особ-ти живых организмов как термодин-их систем. Применение Т-ки в биологии.

Т-ка – наука, заним-ся установлением общих законов превращения и передачи энергии на основе рассмотрения процессов в макроскопическом плане. Обмен веществ живых организмов предполагает обмен с окружающей средой и веществом, и энергией. Термодинамические методы являются статистическими, т.к. они применимы к макросистемам, содержащим огромное количество молекул. Т. – наука о превращении энергии, и она не может дать ответа о природе того или иного явления. Она может показать с точки зрения энергетики, возможно ли протекание того или иного процесса в биологии. Термодин-кие системы определяются, как “ совокупности физических тел, которые могут взаимодействовать энергетически между собой и с другими телами, а также обмениваться с ними веществом “. В совр. физике сущ-ет следующая классификация: а) Система открытая, если возможен энергообмен и обмен веществом. б) Система закрытая, если энергообмен возможен, а обмен веществом невозможен. Закрытые системы дополнительно подразделяются по признаку возможности осуществления энергообмена следующим образом: а) Система замкнутая, если энергообмен возможен, но обмен с внешней средой путем совершения механической работы невозможен. б) Система изолированная, если невозможен какой-либо обмен системы с окружающей средой. в) Система адиабатная, если отсутствует теплообмен системы с окружающей средой.
В адиабатной системе рассматривается как обратимый, так и необратимый адиабатный процесс. Обратимый адиабатный процесс называется также изоэнтропийным процессом, чтобы подчеркнуть постоянство энтропии в адиабатной системе. А постоянство энтропии означает отсутствие необратимых диссипативных потерь энергии. Организмы как термодинамические системы мПри применении Т-ки к биологическим системам необходимо учитывать особенности организации живых систем: 1) биологические системы открыты для потоков вещества и энергии; 2) процессы в живых системах имеют необратимый характер; 3) живые системы далеки от равновесия; 4) биологические системы гетерофазны, структурированы и отдельные фазы могут иметь небольшое число молекул.мВсё это отличает биологические системы от изолированных и близких к состоянию равновесия систем. Поэтому для более адекватного описания свойств живых систем необходимо применять Т-ку необратимых процессов. В отличие от классической термодинамики, в термодинамике необратимых процессов рассматривается ход процессов во времени. Фундаментальным понятием в классической Т-ке является понятие равновесного состояния. В Т-ке необратимых процессов важным понятием является понятие стационарного состояния системы. м Примечание: Необходимо учитывать, что жив. организм пост-но развивается и изменяется и поэтому не является стационарной системой. При этом существует допуск: в течение небольшого интервала времени состояние некоторых его участков принимается за стационарное. мСтационарное состояние характеризуется:

· постоянным притоком веществ в систему и удалением продуктов обмена;

· постоянной затратой свободной энергии, к-ая поддерживает постоянство концентраций веществ в системе;

· постоянством термодинамических параметров (включая внутреннюю энергию и энтропию).

Система в стационарном состоянии может быть как закрытой так и открытой. Открытая система может существовать лишь за счет притока энергии извне и оттока энергии в окружающую среду. В биологических системах наиб. важными потоками являются потоки веществ и электрических зарядов. Использование Т-ки в биологии: 1. Для расчёта энергеических превращений при совершении какой-л. работы (мыш. сокращение, проведение нерв. импульса), также определение коэффициентов полезного действия (к.п.д.) различных биологических процессов и энергии связи биохимических соединений; 2. Для исследования живых организмов как открытых биологических систем (для изучения активного и пассивного транспорта через клет. мембраны, др.).

3. 1-й закон термодинамики. это есть применение к тепловым явлениям закона сохранения и превращения энергии. Если термодинамич. с-ма не замкнута, т. е. механически взаим-ет и обменивается теплотой с окруж. средой, то изменение полной енергии дельтаW= W₂-W₁ равно количеству теплоты дельта Q за вычетом произведённой работы А: W=Q-A.Если с-ма нах. в состоянии равновесия полная энергия W равна внутренней энергии U, следовательно, Q= U+A. формулировка: кол-во теплоты, сообщенное с-ме, идёт на увеличение внутренней энергии с-мы U и на совершение с-мой внешней работы A. Первый з-н термод-ки вводит понятие внутренней энергии как суммы энергии всех видов взаим-я и движения входящих в с-му частиц: сумма вращательного, колебательного и поступательного движения молекул и атомов, энергия межмолекулярных взаим-й, внутриядерной энергии.Первое начало термод-ки можно записать: A= Q-U, т. е. работа может совершаться за счёт изменения внутренней энергии с-мы или за счет тепла, сообщенного с-ме.Общей теоретич. основой прямой и непрямой калориметрии определения энерггетич. обмена между живыми с-ми и окруж. их средой служит з-н Гесса -- Тепорвой эффект хим. р-ции, развивающейся через ряд последовательных стадий, не зависит от пути перехода, а лишь от разности теплосодержания конечных и исходных продуктов р-ции. Н=Н₂-Н_1.Питательные в-ва после введения а организм претерпевают сложные биохим. превращения на пути превращения в в конечные продукты метаболизма, однако суммарный энергетич. эффект всех этих р-ций равен тепловому эффекту сжигания введённых в-в. Например, при сжигании 1 моля глюкозы в калориметрич. бомбе Бертло выделяется 686 ккал тепла. Такое же кол-во тепла выделится при окислении 1 моля глюкозы до СО₂ и Н₂О и в организме человека (р-ции гликолиза и цикла Кребса.).

4. 2-й закон термодинамики. Показывает направление протекания процессов в природе и позволяет давать оценку работоспособности различных термодинамич с-м. Основное положене з-на сводится к тому, что самопроизвольно теплота переходит от менее холодного к более холодному, т. е. не возможна передача тепла от более холоной с-мы к более грячей при отсутствии одновременных изменений в обеих с-мах или окруж. среде. Также не возможна самопроизвольная передача в-ва от места его меньшей конц-ции к месту его большей конц-ции. Следовательно, процессы протекают от более высокого уровня к более низкому, т. е. по градиенту. С понятием градиента тесно сязано и понятие энтропия. При необратимых процессах энтропия растёт с уменьшением градиента, а при обратимых -- не изменяется.Изменение энтропии Пригожин разбил на два слагаемых: ds= d_es+d_is где d_es --измение энтропии за счёт обмена энергии и в-вом с внешней средой(d_es=0), а d_is -- изменение энтропии за счёт протекающих в с-ме необратимых р-ций(d_is> 0).Благодаря работе Пригожина было доказано, что часть энтропии открытой с-мы изменяется согласно законам термодинамики.Существует понятие и свободная энергия. Она в состоянии равновесия равна нулю, т. е. с-ма не в состоянии совершить работу, а изменение энтропии максимально. Термодинамич. равновесие хар-ся мах. и миn. свободной энергии.Энергетич. процессы, протекающие у жив-х и раст-й, полностью подчиняются общим з-нам термодинамики. Они не могут производить работу только за счёт теплоты окруж. среды, не могут без затраты свободной энергии избирательно накапливать нужные в-ва из внешней среды, и не могут функционировать как вечные двигатели второго рода.

5. Свободная энергия Гельмгольца и Гиббса. Свобо́ дная эне́ ргия Гельмго́ льца — термодинамический потенциал, убыль которого в квазистатическом изотермическом процессе равна работе, совершённой системой над внешними телами. Свободная энергия Гиббса (или просто энергия Гиббса, или потенциал Гиббса, или термодинамический потенциал в узком смысле) — это величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции и дающая таким образом ответ на вопрос о принципиальной возможности протекания химической реакции; это термодинамический потенциал следующего вида: G = U+PV-TS Энергию Гиббса можно понимать как полную химическую энергию системы (кристалла, жидкости и т. д.) Конста́ нта равнове́ сия — величина, определяющая для данной химической реакции соотношение между термодинамическими активностями (либо, в зависимости от условий протекания реакции, парциальными давлениями, концентрациями или фугитивностями) исходных веществ и продуктов в состоянии химического равновесия (в соответствии с законом действующих масс). Зная константу равновесия реакции, можно рассчитать равновесный состав реагирующей смеси, предельный выход продуктов, определить направление протекания реакции.

Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид

С02 + Н20 + Аш-> 02 + (СН20) +112 ккал/моль.

Здесь йсо — квант света, (СН20)— фрагмент молекулы углевода. При фотореакции выделяется энергия 112 ккал/моль. Изменение свободной энергии составляет 120 ккал/моль, следовательно, изменение энтропии в этом процессе равно — 27 кал/моль-К (при Т = 300 К). На образование одной молекулы 02 расходуется 8 квантов света, с суммарной энергией около 350 ккал/моль. Коэффициент использования солнечной энергии тем самым равен 120/350 = 0, 34. Выделяемая энергия около 110 ккал/моль следует из баланса:

Энергия двух связей С=0 в С02 190X2 = 380

Энергия двух связей О—Н в Н20 110X2 = 220 Итого 600 Энергия связи 0=0 в 02 116 Энергия двух связей С—Н в формальдегиде СН20 92X2 = 184 Энергия связи С=0 в СН20 190 Итого 490 600 — 490 = 110 ккал/моль.

Суммарная реакция фотосинтеза обратна реакции, реализуемой в дыхании, — образованию С02 и Н20 из органических соединений. Разность энергий 112 ккал/моль следует из окислительно-вос- становительного потенциала пары У2О2/Н2О, равного +0, 81 эВ, и пары С02/(СН20) + Н20, равного — 0, 40 эВ. Их разность составляет 1, 21 эВ. В фотосинтезе для восстановления С02 до углевода нужно перенести 4 атома водорода с Н20 на С02:

С02 + 2Н20 (СН402) + 02 = [(СН20) + Н20] + 02.

Вещество (СН402) нестабильно, оно распадается на (СН20) и Н20, причем выделение воды не меняет уровня восстановления. Соответственно баланс энергии сводится к 1, 21 X 4 = 4, 84 эВ = = 112 ккал/моль. H2S/S меньше, она составляет —0, 2 В.

6. Структура АТФ и других макроэргических соединений. Аденозинтрифосфа́ т (сокр. АТФ, англ. АТР) — нуклеотид, играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. АТФ был открыт в 1929 году Карлом Ломанном [1], а в 1941 году Фриц Липман показал, что АТФ является основным переносчиком энергии в клетке. Структура аденозинтрифосфорной кислоты. Систематическое наименование АТФ:

9-β -D-рибофуранозиладенин-5'-трифосфат, или

9-β -D-рибофуранозил-6-амино-пурин-5'-трифосфат.

Химически АТФ представляет собой трифосфорный эфир аденозина, который является производным аденина и рибозы. Эндергонические и экзергонические реакции

Направление химической реакции определяется значением Δ G. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоническими. Если при этом абсолютное значение Δ G велико, то реакция идёт практически до конца, и её можно рассматривать как необратимую. Если Δ G положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такие реакции называют эндергоническими. Если абсолютное значение Δ G велико, то система устойчива, и реакция в таком случае практически не осуществляется. При Δ G, равном нулю, система находится в равновесии. Сопряжение экзергонических и эндергонических процессов в организме. В биологических системах термодинамически невыгодные (эндергонические) реакции могут протекать лишь за счёт энергии экзергонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряжёнными. Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтрифосфата (АТФ), играющего роль сопрягающего фактора. В процессе энергетического метаболизма происходит аккумуляция энергии, полученной в результате окислительно-восстановительных превращений субстратов. Основными типами аккумуляции энергии в клетки являются: 1. трансмембранная разность электрохимических потенциалов ионов. 2. макроэргические химические соединения. Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород) и питания. В ЖКТ продукты питания расщепляются до простых веществ. При расщеплении происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов и других сложных органических веществ) до мономеров, всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен. Промежуточный обмен (внутриклеточный метаболизм) включает 2 типа реакций: катаболизм и анаболизм. 1. Катаболизм - процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции). 2. Анаболизм объединяет биосинтетические процессы, в которых простые строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы, необходимые для организма. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндергонические реакции). Процессы катаболизма в клетках животных сопровождаются потреблением кислорода, который необходим для реакций окисления. В результате этих реакций происходит освобождение энергии, которая необходима организмам в процессах жизнедеятельности для осуществления различных видов работы. Живые организмы с точки зрения термодинамики - открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии - происходит в соответствии с законами термодинамики. 1-й закон сохранения энергии: общая энергия системы и окружающей среды - величина постоянная. 2-й З: все физические и химические процессы в системе стремятся к необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неуправляемую форму. Мерой перехода или неупорядоченности системы служит величина, называемая энтропией (S), она достигает максимума, когда система приходит в истинное равновесие с окружающей средой.

7. Предмет и задачи биокинетики, ее особенности. Кинетика реакций 1, 2, 3порядков. Обратимые и необратимые реакции. Принцип «узкого места»… Биокинетика — наука, изучающая на молекулярном уровне законом-ти развития био-их проц-в в системах живого, живых органах и тканях, клеточных популяциях. Биок-ка является пограничной наукой, возникшей на стыке биохимии и химической кинетики. Выделение биок-ки в отдельную дисциплину неслучайно, оно логически оправдано и связано с исключительной значимостью кинетических процессов для всех живых организмов. Термин «Биок-ка» был введен И.В. Березиным и С.Д. Варфоломеевым в 1979 г. Традиционно в курсе биок-ки рассматриваются ферментативные реакции, процессы взаимодействия лигандов с рецепторами и процессы клеточного роста. Реакции нулевого порядка: Скорость реакции нулевого порядка постоянна во времени и не зависит от концентраций реагирующих веществ; это характерно для многих гетерогенных реакций в том случае, когда скорость диффузии реагентов к поверхности меньше скорости их химического превращения. Реакции первого порядка Логарифм концентрации для реакции первого порядка линейно зависит от времени и константа скорости численно равна тангенсу угла наклона прямой к оси времени. Еще одной кинетической характеристикой реакции является период полупревращения t1/2 – время, за которое концентрация исходного вещества уменьшается вдвое по сравнению с исходной. Период полупревращения реакции первого порядка не зависит от начальной концентрации исходного вещества. Реакции второго порядкка. Для реакций второго порядка характерна линейная зависимость обратной концентрации от времени и константа скорости равна тангенсу угла наклона прямой к оси времени. Необратимые реакции — реакции, при которых взятые вещества нацело превращаются в продукты реакции, не реагирующие между собой при данных условиях, например, разложение взрывчатых веществ, горение углеводородов, образование малодиссоциирующих соединений, выпадение осадка, образование газообразных веществBa(ClO2)2 + H2SO4 → 2HClO2 + BaSO4↓; NaHCO3 + CH3COOH → CH3COONa + H2O + CO2↑ Обрати́ мые реа́ кции — химические реакции, протекающие одновременно в двух противоположных направлениях (прямом и обратном), например: 3H2 + N2 ⇌ 2NH3.Направление обратимых реакций зависит от концентраций веществ — участников реакции. Обр. реакции бывают одностадийные и многостадийные. Конста́ нта равнове́ сия — величина, определяющая для данной химической реакции соотношение между термодинамическими активностями (либо, в зависимости от условий протекания реакции, парциальными давлениями, концентрациями или фугитивностями) исходных веществ и продуктов в состоянии химического равновесия. Зная константу равновесия реакции, можно рассчитать равновесный состав реагирующей смеси, предельный выход продуктов, определить направление протекания реакции. Принцип узкого места. Даже в пределах одной отдельной цепи взаимосвязанных реакций всегда имеются наиболее медленные и наиболее быстрые стадии. Это и является основой для осуществления принципа узкого места, согласно которому общая скорость превращения вещества во всей цепи реакций определяется наиболее медленной стадией (узким местом). Эта медленная стадия обладает самым большим характерным временем (самой малой скоростью) по сравнению со всеми характерными временами других отдельных стадий. Общее время процесса практически совпадает с характерным временем этого узкого места. Самое медленное звено и является управляющим, поскольку воздействие именно на него, а не на более быстрые стадии может повлиять и на скорость протекания всего процесса. Таким образом, хотя сложные биологические процессы и включают очень большое число промежуточных стадий, их динамические свойства определяются сравнительно небольшим числом отдельных наиболее медленных звеньев. Это и означает, что исследование можно проводить на моделях, которые содержат существенно меньшее число уравнений. Наиболее медленным стадиям соответствуют медленно меняющиеся, а быстрым стадиям - быстро меняющиеся переменные величины. Это имеет глубокий смысл. Если мы воздействуем каким-то образом на такую систему (внесем в нее какое-то возмущение), то в ответ все переменные концентрации взаимодействующих веществ начнут соответственно и изменяться. Однако это будет происходить с существенно разными скоростями для разных веществ. Автокатализ — катализ химической реакции одним из её продуктов или исходных веществ. Одним из наиболее широко известных примеров автокатализа является окисление щавелевой кислоты перманганатом калия: 2MnO4− + 5C2O42− + 16H+ = 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O К цепным реакциям в химии относятся процессы окисления (горение, взрыв), крекинга, полимеризации и другие, широко применяющиеся в химической и нефтяной промышленности.

8. Свободным радикалом называется частица - атом или молекула, имеющая на внешней оболочке один или несколько неспаренных электронов. С.Р- это чрезвычайно реактогенные окислители, играющие важную роль в процессах метаболизма клеток в условиях нормы, а при образовании в избыточных концентрациях - являющиеся факторами дезорганизации всех структур клеток и в конечном итоге их гибели.Все радикалы, образующиеся в человеческом организме, можно разделить на природные и чужеродные. Источником чужеродных радикалов могут быть ксенобиотики, а также вода, кислород и другие соединения эндогенного происхождения, подвергшиеся воздействию ионизирующего излучения, ультрафиолетового облучения, интенсивного светового воздействия лазера. В свою очередь природные радикалы можно разделить на первичные, вторичные и третичные. К числу первичных радикалов относят супероксид, нитроксид убихинон - переносчик электронов в дыхательной цепи. Из первичного радикала - супероксида - в процессе его метаболических превращений могут образовываться активные молекулярные соединения: перекись водорода.Взаимодействие первичных радикалов, а также различных веществ с металлами переменной валентности (прежде всего Fe2+) приводит к образованию вторичных радикалов - гидроксила) и липидных радикалов, обладающих выраженным деструктивным действием на клеточные структуры Вторичные радикалы, в отличие от первичных, образуются в неферментативных реакциях и, насколько известно в настоящее время, не выполняют физиологически-полезных функций.В особом положении оказалась молекула кислорода (диоксигена), которая содержит на внешней оболочке целых два неспаренных электрона. Таким образом, диоксиген - это бирадикал и, подобно другим радикалам, обладает высокой реакционной способностью. Для защиты от повреждающего действия вторичных радикалов в организме используется большая группа веществ, называемых антиоксидантами, к числу которых принадлежат ловушки, или перехватчики свободных радикалов. Примером последних служат альфа-токоферол, тироксин, и женские стероидные гормоны. Реагируя с липидными радикалами, эти вещества сами превращаются в радикалы антиоксидантов, которые можно рассматривать как третичные радикалы. Реакции с участием свободных радикалов, в особенности реакции цепного окисления, отличаются большой сложностью и протекают через ряд последовательных стадий

9. Кинетика ферментативных реакций. Особенности ферм.катализа. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Влияние темп. на скорость биохим. процессов. Применимость закона Аррениуса к биосистемам. Ферменты-- специализированные белки с высокой скоростью катализирующие взаимосвязанные хим.реакции, включая синтез, распад и взаимопревращение орг-их соединений, в ходе которых запасается и преобразуется хим. энергия. Основные признаки ферментов: 1)Высокая эффективность 2)Каталитической активностью (при t=37^о и рН=7, 4)3)Специфичность действия 4) Ускоряют протекающие очень медленно хим. реакции, не смещая их равновесие. Особенности ферм. катализа: 1)Ферменты в клетке функционируют в малых конц.2)Ферм. не сдвигают полож. равновесия хим. р-ции, увеличивая только ее скорость 3)Ферменты не изменяются в ходе р-ции. Апофермент - белковая часть ферментов, для проявления каталитической активности которых необходимо присутствие и небелкового компонента - кофермента. Апофермент определяет специфичность (избирательность) действия фермента и возможность регуляции его активности. Коферменты - органические соединения небелковой природы, входящие в состав некоторых ферментов. Соединяясь с апоферментом, коферменты образуют каталитически активные комплексы. Многие коферменты-производные витаминов (В1, В2, В6 РР и др.) Простетическая группа- (от греч. prosthetikos — прибавляющий), небелковая часть молекул сложных белков, в т. ч. ферментов. Может иметь различную химическую природу: от атомов металлов до нуклеотидов. Кинетика ферментативных процессов:

k₁

А+В↔ C

k_-1

k₁ и k_-1 это константы прямой и обратнои реакций. К_равн=[С]/ [АС] [ВС]

К=k_-1/k₁

В основе современной теории ферментативного катализа лежит теория, разработанная Михаэлисом и Ментоном. В основе этой теории лежит представление об образовании фермент-субстратного комплекса:

k-₁ k₂

E+S↔ ES→ EX→ EP→ E+P

k₁

Е- фермент; S- субстрат; ЕS-ферм.-субстр. комплекс; ЕР-комплекс фермент продукт; k1-скорость образования ферм-субстр комплекса; k2-скорость обр. комплекса продукт- фермент.

Уравнение Михаэлиса-Ментона:

Кm=k_-1+k₂/k₁

На основании ур-ния М-М можно определить 2 осн.параметра: Vmax и Кm. Кm численно равно концентрации субстрата при кот. V ферм. реакции равна 1\2 от V_max Кm представляет собой константу равновесия ферм-субстр. комплекса и хар-ет сродство фермента к субстрату.

Уравнение Аррениуса устанавливает связь между энергией активации и скоростью протекания реакции:

С повышением температуры растёт вероятность преодоления энергетического барьера.

10. Строение, свойства и особенности кинетики аллостерических (регуляторных) ферментов, их участие в саморегулировании биопроцессов. Ингибирование ферментов и его типы. Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической (регуляторной субъединице) изменяют конформацию белка и, соответственно, активность каталитической субъединицы. Аллостерические ферменты обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций. Поэтому они часто называются ключевыми ферментами.Специфическое регулирование ферм. активности достигается использованием в клетке м-л эффекторов, ускоряющих либо ингибирующих ферм. катализ. Неспецифическое регулирование происходит путем изменения физ-хим условий среды. Регуляция ферм. активности может достигатся также путем 1)экспрессии генов 2)фосфорилирования и дефосфорилирования. Типы ингибиторов: 1) конкурентный тип - конкурирует за связывание с субстратом 2) неконкурентный - не конкурирует с субстратом, не изменяет Кm

3) бесконкурентный - в одинаковой степени уменьшает Км и Vmax Аллостерические регуляторы - это регуляторы взаимод. с ферментом в центре отличном от активного. Энергия активации -это энергия необходимая для достижения активированного состояния.(тот избыток энергии которым они должны обладать чтобы вступить в реакцию. Фермент снижает Еа увеличивая число активирующих м-л, становящихся реакционно способными на более низком энергетическом уровне (характерно наличие 2 переходных состояний ES и EP) E+S↔ ES→ EX→ EP→ E+P

11. Предмет и задачи молек. биофизики: методы исслед. Биополимеры как основа организ. биоструктур: своеобразие строения и ф-ции биол. макромолекул. Различные типы взаимод.в полимерах их биофизич. хар-ка. Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические свойства биологически функциональных молекул, прежде всего биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. Задачи молекулярной биофизики состоят в раскрытии физических механизмов, ответственных за биологическую функциональность молекул, например за каталитическую активность белков-ферментов. Методы исследов: для определения молекулярных масс макромолекул, размеров и формы – седиментация в ультрацентрифуге, рассеяние света и рассеяние рентгеновских лучей растворами исследуемых веществ и т. д. Методы исследования структуры молекул, основанные на взаимодействии вещества со светом, начиная с рентгеновских лучей и заканчивая радиочастотным излучением. Методы оптики и спектроскопии включают рентгеноструктурный анализ, резонансную спектроскопию (эффект Мёссбауэра), электронные и колебательные спектры, то есть спектры поглощения и люминесценции в ультрафиолетовой и видимой областях, инфракрасные спектры и спектры комбинационного рассеяния. Биополимеры - биологически важные макромолекулы - построены в основном из азота, углерода, водорода, кислорода, фосфора и серы. Кроме того, значительное влияние на живые системы оказывают малые количества таких металлов, как Fe, Zn, Cu, Mg и др. В процентном отношении человеческий организм содержит следующие элементы: H - 60 %, O - 26%, C - 11%, N - 2.5%, Ca - 0.2%, P - 0.13%, S - 0.13%, Na - 0.08%, Cl - 0.03%, Mg - 0.01%. Основная функция биомолекул - построение клеток и обеспечение биоэнергетических процессов (в природе у всех видов позвоночных насчитывается около 200 типов клеток). Типы взаимодействий в полимерах: 1.Ковалентные связи. В белках наибольшую роль играют пептидные связи – между соседними АК, и дисульфидные связи – между удалёнными серосодержащими АК одной или разных цепей. Цистеин.
2.Взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Возникают при сближении атомов с полностью заполненными орбиталями. Эти взаимодействия имеют квантовую природу и обусловлены синхронизацией колебаний электронов взаимодействующих атомов.Взаимодействие проявляется притягиванием на больших расстояниях и отталкиванием на малых расстояниях, при этом атомы располагаются на стабильном расстоянии друг от друга и не могут приближаться друг к другу ближе, чем на 3Ǻ.
Силы Ван-дер-Ваальса также обеспечивают запрет цис-конформации пептидной связи иустойчивость транс-конформации. 3.Водородные связи. Образуются между атомом водорода, ковалентно связанным с электроотрицательным атомом и другим электроотрицательным атомом. Водородная связь имеет электростатическую природу и связана с наличием парциальных зарядов на взаимодействующих атомах. Водородная связь направлена от донора(водород) к акцептору(атому O или N). Водород всегда выступает донором одной водородной связи, кислород может быть акцептором двух водородных связей.В белках водородные связи образуются между отдельными группами аминокислотных остатков и между полярными АК и молекулами воды. 4.Гидрофобные взаимодействия. Возникают между гидрофобными участками АК цепи. Неполярный участок препятствует образованию водородных связей между молекулами воды. Это приводит к уменьшению энтропии в системе и увеличению свободной энергии, так как происходит уменьшение числа степеней свободы у молекул воды, находящихся в контакте с неполярным участком. Далее происходит самопроизвольный процесс сближения гидрофобных участков для уменьшения поверхности их соприкосновения с молекулами воды. Таким образом, гидрофобные взаимодействия обусловлены эволюцией белка к стационарному состоянию с минимальной площадью контакта гидрофобной части с молекулами воды. В белках наиболее гидрофобные остатки образуют «гидрофобное ядро», окружённое гидрофильными остатками.

12.Природа пептидной связи и ее свойства. Строение полипептидной цепи, внутреннее вращение и подвижность ее звеньев. Пространств. организация белковой молекулы. Разнообр. вторичн. и третичн. Структур белка: сверхспирали. Первичная стр-ра ПП цепи представлена последовательностью АК остатков, соединённых пептидными связями. Возможные конфигурации пептидной цепи прежде всего обусловлены плоским строением пептидной связи. 1.Валентные углы. Порядка 109°. 2.Двугранные углы поворота вокруг валентной связи •ω – Угол внутри пептидной связи, наиболее стабилен и составляет около 179°. •φ и ψ углы – Между Cα атомом и C или N пептидной связи. •χ – Между Сα атомом и атомом боковой цепи. В то время как валентные углы и ω угол достаточно постоянны, углы φ и ψ сильно отличаются и зависят от АК остатков, связанных пептидной связью, а также от прочих условий.
Для определения наиболее устойчивых значений этих углов и запрещённых конформаций были получены стерические карты Рамачандрана для разных АК. Расчёт карт Рамачандрана проводился из предположения об атомах, как твёрдых сферах с Ван-дер-ваальсовыми радиусами. Область разрешённых значений углов зависит в большой степени от размера радикала и от соседних АК, также свои ограничения накладывают и другие типы взаимодействий в белке. Типы вторичной структуры: 1.α -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. α -спираль является самой устойчивой вторичной структурой и самой часто встречающейся. Некоторые АК могут нарушать структуру спирали, препятствуя её сворачиванию, это АК с крупными радикалами: пролин, гистидин, триптофан.
2.β -структура. В β -структуре водородные связи образуются между параллельно уложенными цепями, при этом образуются слои или листы. Бывают параллельные, антипараллельные и смешанные β -слои. При этом β -слои всегда имеют некоторую скрученность и также являются гидрофобными структурами за счёт полностью задействованных водородных связей. 3.Спирали без водородных связей. Такие спирали образуются только за счёт сил Ван-дер-Ваальса. Например, полипролиновая спираль в молекуле коллагена. Третичная структура белков стабилизируется гидрофобными взаимодействиями, водородными и дисульфидными связями.Различают третичную структуру у фибриллярных, глобулярных и мембранных белков. Наиболее простая третичная структура характерна для фибриллярных белков. Для них характерна высокая регулярность первичной и вторичной структуры и большие размеры полипептидной цепи. • α -структурные. Например, коллаген.Первичная структура представлена полимером трипептида (-гли-про-про-), закрученного во вторичную структуру α -спираль. Третичная структура представлена суперспиралью из трёх полипептидных цепей. • β -структурные. Например, фиброин шёлка.Фиброин образован чередующимися АК глицина и аланина, уложенными в β -слои по 8 блоков. Эти структуры затем накладываются друг на друга, образуя более сложную структуру. Существуют также глобулярные белки, образующие фибриллярную третичную структуру. К таким белкам относится актин. Глобулярные белки имеют наиболее сложную пространственную структуру. В центральной части глобулы обычно располагается гидрофобное ядро, образованное α и β -структурами и гидрофобными АК. На периферии располагаются нерегулярные петли, гидрофильные участки, образующие водородные связи с молекулами воды. В глобулярных белках выделяют промежуточную доменную структуру, образованную стабильными сочетаниями блоков вторичной структуры. По преобладающим типам структуры выделяют: α -глобулы, β -глобулы и смешанные белки.
К отдельному типу относят мембранные белки. – особенностью наличие трансмембранного участка, образованного гидрофобными структурами и обращённого к липидам мембраны - характерна высокая регулярность укладки и простота третичной структуры. Гидрофильные участки располагающиеся на поверхности мембраны имеют нерегулярную структуру.

13.Наиболее характерными физико-химическими свойствами белков являются высокая вязкость раст-в, незначительная диффузия, способность к набуханию в больших пределах, оптическая активность, подвижность в электрическом поле, низкое осмотическое давление, способность к поглощению УФ-лучей. Белки, как и аминокислоты, амфотерны, характерны все свойства кислот и оснований. Процесс гидратации - связывание белками воды, проявляют гидрофильные свойства: набухают, их масса и объем увеличивается. Набухание белка сопровождается его частичным растворением, зависит от строения белков. Высаливание — осаждение высокомолекулярных соединений из растворов при добавлении солей. Высаливание белков используют в процессе приготовления лечебных сывороток, при анализе сыворотки крови и др. При меньших концентрациях соли осаждаются глобулины, при больших — альбумины. Денатурация белков. При денатурации под влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, действия химических агентов и других факторов) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы, то есть ее нативной пространственной структуры. Первичная структура, а следовательно, и химический состав белка не меняются. Изменяются физические свойства: снижается растворимость, способность к гидратации, теряется биологическая активность. Меняется форма белковой макромолекулы, происходит агрегирование. Изоэлектрическая точка (pI) — кислотность среды (pH), при которой определённая молекула или поверхность не несёт электрического заряда. Глобулярные белки - белки, в молекулах которых полипептидные цепи плотно свернуты в компактные шарообразные структуры глобулы. К глобулярным белкам относятся ферменты, антитела, некоторые гормоны и многие другие белки, выполняющие в клетках динамические функции. Некоторые глобулярные белки выполняют транспортные функции: вместе с током крови они переносят кислород, питательные вещества и неорганические ионы; к этому же классу белков принадлежат антитела, часть гормонов, а также компоненты мембран и рибосом.

14) Особенности стуктуры и пространственной организации НК. Физические модели ДНК…

Для оценки возможных структурных конформаций ДНК большое значение имеют теоретические методы и модели. Существует два ряда теоретических методов изучения структуры ДНК: методы построения упрощенных физических моделей, основанные на экспериментальных данных и отражающие совокупность свойств целостной молекулы ДНК, и методы конформационного анализа и квантовой химии. Физические модели ДНК. В первой группе методов наибольшее значение имеют модель гибкого стержня и модель спираль-клубок. В обычных полимерных цепях гибкость определяется поворотной изомерией (различающиеся между собой устойчивые конформации, возникающие в результате поворотов вокруг единичных связей). В модели, где ДНК представляется в виде упругого стержня, ее жесткость характеризуется двумя параметрами: жесткостью на изгиб оси и жесткостью кручения. Жесткость на изгиб оси двойной спирали определяет способность ДНК укладываться в вирусных частицах, хромосомах и т. д.

Жесткость на кручение, или торсионная жесткость, ДНК определяется как изменение энергии при отклонении угла между соседними парами оснований от его равновесного значения. При такой жесткости особое значение торсионная гибкость приобретает в случае замкнутых кольцевых молекул ДНК, состоящих из двух взаимно зацепленных однонитевых колец. В обычных условиях угол (36°) между осями пар оснований, соседних по длине двойной спирали ДНК, испытывает отклонение ±5° вследствие тепловых колебаний. В то же время для перехода между разными формами ДНК (В- и С-формы) достаточно изменения этого угла всего на 2, 5°. Отсюда следует, что происходят непрерывные переходы из одной конформации в другую. По существу, разные участки одной и той же молекулы ДНК, могут находиться одновременно в разных конформациях. В модели гибкого стержня изменения конформации ДНК связываются с небольшим изгибом и кручением двойной спирали в каждой паре оснований, которые накапливаются на большой длине. В результате происходит непрерывное изгибание молекулы ДНК с образованием кольца диаметром около 10, 0 нм. Согласно другой точке зрения, укладка двойной спирали при компактизации ДНК может происходить за счет редких изломов на большой угол вследствие нарушения межплоскостных (стекинг) взаимодействий между парами оснований. Наряду с флуктуационными изгибами оси спирали и поворотами соседних пар оснований в ДНК может происходить и раскрытие отдельных пар оснований. Хотя этот процесс идет с очень малой вероятностью, тем не менее он приводит к сильным изменениям конформации и играет определяющую роль в реакциях ДНК с химическими агентами (например, с формальдегидом), которые могут реагировать лишь с раскрытыми нуклеотидами. Эти маловероятные, но значительные изменения структуры учитываются в моделях спираль—клубок, которые будут рассмот­рены ниже. Согласно модели спираль-клубок тепловые флуктуации могут приводить к раскрытию участков внутри спиральной области и переходу пары оснований (А—Т или Г—Ц) из закрытого (спиральное) в открытое (клубкообразное) состояние. При обычных физиологических температурах в ДНК происходят в основном флуктуационные раскрытия отдельных пар оснований с вероятностями не более 10-5. Вероятности одновременного раскрытия двух и большего числа пар оснований соответственно на один и два порядка меньше.

Конформационный анализ.Важность выявления возможных форм ДНК и физических причин конформационных переходов внутри двухтяжевого состояния очевидна с биологической точки зрения, поскольку в процессе функционирования ДНК может менять свою конформацию вследствие взаимодействия с другими компонентами клетки, прежде всего с белками. Двойная спираль нуклеиновой кислоты, обладая общей жесткостью по длине спирали, представляет собой вместе с тем своего рода шарнирное устройство с ограниченным числом вращательных степеней свободы вокруг единичных химических связей. Общая геометрия спиральной молекулы описывается пятью параметрами, из которых наиболее важные: спиральное вращение τ —угол поворота между соседними парами и D—расстояние пары от оси спирали. Основная причина всех этих различий, связана с альтернативной геометрией сахарного кольца у форм В- и А-семейств. С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что пятичленное кольцо рибозы и дезоксирибозы не является абсолютно плоским. Обычно либо атом С2, либо атом СЗ выходят из плоскости других четырех атомов кольца. Если данный атом выдвинут в сторону 5'-углерода и расположен выше кольца, т. е. находится от него со стороны основания, то кольцо обладает эндоконформацией. Если атом лежит ниже кольца, то получается экзоконформация. При изменении геометрии сахара с С2'-эндо (СЗ'-экзо) к С-З'-эндо резко меняется расположение в пространстве выходящих из кольца связей, что и соответствует переходу от В- к А-формам. Атом С2 и С3 могут отклоняться из плоскости кольца на 0, 03-0, 06 нм. Такие небольшие конформационные перестройки сахарного кольца вызывают изменение угла и ориентацию азотистых оснований по отношению к оси спирали.

15. Взаимодействие НК с растворителем. Фазовые переходы спираль клубок денатурация и ренатурация НК, факторы денатурации. Качественные и количественные характеристики денатурации. Физические свойства НК. Вязкость НК. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (полинуклеотиды), биополимеры, осуществляющие хранение и передачу генетич. информации во всех живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков. Существует два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Мономерами в нуклеиновых кислотах служат нуклеотиды. Каждый из них содержит азотистое основание, пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза — в ДНК, рибоза — в РНК) и остаток фосфорной кислоты. Растворимость. Нуклеиновые кислоты в водных растворах всегда сильно отрицательно заряжены, т.к. сахарофосфатный остов ДНК и РНК имеет отрицательный заряд фосфатных групп, которые депротонированы при характерных для клеток значениях pН. Молекулу нуклеиновой кислоты невозможно представить себе в чистом виде, поскольку являясь полиэлектролитами, они нуждаются в противоионах. Кроме того, всегда наблюдается сильное связывание молекул обычных растворителей (например, воды) с биополимерами. Поэтому реальным объектом в водном растворе всегда является гидратированная молекула, несущая противоионы. Степень взаимодействия нуклеиновых кислот с водой не позволяет считать их растворы идеальными ни при каких концентрациях. Денатурация и ренатурация нуклеиновых кислот. Под влиянием денатурирующих факторов (температура 70° - 100°С, воздействие химических веществ, сильнокислой и щелочная среда и т.д.) происходит разрыв водородных и ван-дер-ваальсовых связей, стабилизирующих вторичную и третичную структуру нуклеиновых кислот. Вследствие разрыва водородных и гидрофобных связей цепи нуклеиновых кислот расходятся и приобретают конформации беспорядочного клубка. Денатурация сопровождается повышением поглощения света при 260 нм (гипохромный эффект). Поглощение может увеличиваться примерно в 1, 5 раза. Это удобный метод исследования денатурации. Денатурацию можно обнаружить также за уменьшением вязкости раствора и изменением угла вращения плоскости поляризованного луча. Если раствор нуклеиновой кислоты, этиловый нагревом, медленно охлаждать, то полинуклеотидные цепи ДНК объединяются по принципу комплементарности. При этом образуется нативная двойная спираль ДНК. Это явление называется ренатурацией. При быстром охлаждении ренатурацией не происходит. Физические свойства. Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически не растворимы в органических растворителях. Очень чувствительны к действию температуры и критическим значениям уровня pH. Молекулы ДНК с высокой молекулярной массой, выделенные из природных источников, способны фрагментироваться под действием механических сил, например при перемешивании раствора. Нуклеиновые кислоты фрагментируются ферментами — нуклеазами. Концентрированные растворы нуклеиновых кислот очень вязкие и слегка опалесцируют, а в твердом виде эти вещества белые. Нуклеиновые кислоты сильно поглощают ультрафиолетовый свет, и это свойство лежит в основе определения их концентрации. С этим же свойством связан и мутагенный эффект ультрафиолетового света.

21. Клетка как осмотическая система. Осмотическое давление и факторы его определяющие. Вещества осмолиты. Клетка представляет собой осмотическую систему. Клеточный сок вакуоли является высококонцентрированным раствором. Осмотическое давление клеточного сока обозначается P. Чтобы попасть в вакуоль, вода должна пройти через клеточную стенку, плазмалемму, цитоплазму и тонопласт. Клеточная стенка хорошо проницаема для воды. Плазмалемма и тонопласт обладают избирательной проницаемостью. Поэтому растительную клетку можно рассматривать как осмотическую систему, в которой плазмалемма и тонопласт являются полупроницаемой мембраной, а вакуоль с клеточным соком – концентрированным раствором. Поэтому, если клетку поместить в воду, то вода по