Биофизика. (шпаргалка к экзамену)

Создаётся база шаблонов первичной структуры и их структурообразующих свойств. Сходства последовательностей достаточно для сходства пространственной структуры.

· Математическое моделирование

Производится расчёт структуры с минимальной свободной энергией или моделируется наиболее оптимальный процесс сворачивания структуры. Этот метод более точен, но требует намного больших вычислительных мощностей. Для него используются сети распределённого вычисления и суперкомпьютеры.

"Метод протягивания" заключается из предположения о том, что большинство вариантов третичной структуры уже известны. Производится перебор конформаций, расчёт их стабильности и выбор конформации с минимальной свободной энергией.

Направление белкового дизайна занимается моделированием белков с заданными свойствами. Главной проблемой этого направления является нестрогое соответствие между структурой и функциями белка. Существуют белки со схожей пространственной структурой, но выполняющие разную функцию, и наоборот.

Методы белкового дизайна подразделяются на: теоретические (основаны на знании соответствия между структурой и функциями АК последовательностей в реальных белках) и практические (основанные на методах точечных мутаций и синтеза искусственных белков).

37. Законы поглощения электромагнитного излучения веществом. Спектрофотометрия, её физические основы.

Спектрофотометрия – это область физики исследующая распределение электромагнитного излучения по длинам волн или частотам.

В наиболее общем случае все спектрофотометрические методы основаны на анализе интенсивностей света разной длины волны поглощенного веществом или прошедшего через него. Атомы и молекулы имеют дискретные энергетические уровни. Если на вещество падает ЭМ волна, то энергия, равная разнице энергии перехода между энергетическими уровнями может поглощаться. При этом происходит снижение интенсивности излучения. Этот переход осуществляется с разной вероятностью при разных длинах волн.

Интенсивность поглощения, по закону Бугера-Ламберта-Бэра:.

В этом соотношении интенсивность света, прошедшего через слой вещества экспоненциально зависит от толщины слоя и концентрации вещества.

Оптическая плотность вычисляется как десятичный логарифм отношения интенсивностей света до образца и после образца:

Измеряя оптическую плотность раствора при определённых длинах волн можно определить концентрацию поглотителя в растворе. Также возможно построение спектра поглощения в определённом диапазоне длин волн, затем этот спектр можно использовать при качественном анализе состояния системы, конформационные переходы и химические превращения часто отражаются на форме спектра поглощения.

Спектрофотометрические методы часто делятся по диапазону используемых длин волн. Область спектрофотометрии в видимом диапазоне длин волн называют колориметрией.

Спектральное положение линии определяется разницей энергии состояний, между которыми осуществляется переход. Здесь они расположены в порядке уменьшения энергии. Энергиям электронных переходов соответствуют области спектра высоких энергий и высокой частоты, спектр поглощения энергии на увеличение колебательного и вращательного движения расположен в области с низкими частотами и низкой энергией.

Ширина спектральных линий определяется естественным уширением по причине грубости фиксирующих приборов. Также большую роль играют взаимодействия с другими частицами, доплеровское смещение частот за счёт теплового движения и изменение спектров за счёт межмолекулярных взаимодействий.

38. Спектроскопические методы в биофизике. Их физические основы, задачи спектроскопии, классификация спектроскопических методов.

Спектроскопия – это область физики исследующая распределение электромагнитного излучения по длинам волн или частотам.

В наиболее общем случае все спектроскопические методы основаны на анализе интенсивности реакции вещества на воздействие определённой интенсивности и частоты. Этим воздействием могут являться ЭМ волны, магнитное поле, γ-лучи.

Атомы и молекулы имеют дискретные энергетические уровни. Если на вещество падает ЭМ волна, то энергия, равная разнице энергии перехода между энергетическими уровнями может поглощаться. При этом происходит снижение интенсивности излучения. Этот переход осуществляется с разной вероятностью при разных длинах волн.

Интенсивность поглощения, по закону Бугера-Ламберта-Бэра:.

Эта зависимость используется в спектрофотометрических методах.

В качестве воздействия может использоваться переменное магнитное поле высокой частоты, которое поглощается ядрами или электронами в постоянном магнитном поле. На этом основаны методы ЯМР и ЭПР.

γ-лучи используются в методе мессбауэровской спектроскопии, так как они могут поглощаться тяжёлыми атомами металлов.

Свойства спектральной линии.

Интенсивность определяется количеством поглотителя в исследуемом объекте.

Спектральное положение линии определяется разницей энергии состояний, между которыми осуществляется переход.

Методами спектроскопии возможно изучение химического состава объектов, количественный анализ, а также структурный анализ, так как изменение структуры вещества часто отражается на характере его спектра.

39. Метод электронного парамагнитного резонанса. Физические принципы и применение в изучении биополимеров.

Если внести частицу в определённым магнитным моментом в постоянное магнитное поле, то магнитный момент выстроится вдоль направления магнитного поля и будет прецессировать с частотой . Если теперь на частицу действовать слабым переменным магнитным полем, направленным перпендикулярно опорному полю, то при совпадении частоты переменного измерительного поля с частотой прецессии частицы, возникнет резонанс и сильное поглощение волны измерительного поля.

Электрон имеет спин ½, его энергетический уровень расщепляется на два, что соответствует переходу между спинами. В большинстве органических соединений спины электронов скомпенсированы и ЭПР не наблюдается. ЭПР наблюдается только у свободных радикалов и молекул с нечётным числом электронов, при этом, проявляются характеристические спектры, зависящие от электронного строения системы.

ЭПР используется при изучении реакций с участием свободных радикалов или белков, содержащих в качестве кофакторов атомы металлов с нескомпенсированным спином.

Также широко используется приём присоединения к исследуемым молекулам спиновых метоков и эффект Мессбауэра как анализатор.структуры атома, окружающих групп и характера цессии частицы, и частицы с чь слабым переменным магнитным полем, направленным перпендикулярно опорному полю, то при совпаде – свободных радикалов, содержащих неспаренный электрон. ЭПР спектр спин-метки зависит от её электронного окружения, конформации молекулы, к которой она присоединена.

40. Метод ядерного магнитного резонанса. Физические принципы и применение в изучении биополимеров.

Ядерный спин имеют атомы, у которых нечётно хотя бы одно атомное число, массовое или порядковое. Ядерный спин равен нулю у и не равен нулю у

При включении магнитного поля для протона возникают два уровня, соответствующие параллельному и антипараллельному направлениям спина. Частоту переменного поля увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен, а интенсивность поглощения записывают. В результате получается спектр поглощения, который подвергается анализу. Сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра, а интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов. Таким образом, можно получить количественные и качественные характеристики образца.

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения. Это позволяет определить структуру окружения атомов и структуру самого вещества.

Используют также приёмы обогащения образцов контрастирующими метками, наблюдения процессов включения метки в состав объекта. Важным свойством метода является возможность его использования на живых биологических объектах.

Существует два метода ЯМР: метод постоянного поля и импульсный метод.

Частным случаем применения ЯМР является метод томографии или ЯМР-интроскопии, применяемый в-основном в медицине.

41. Метод мессбауэровской спектроскопии. Его физические принципы и использование в изучении биополимеров.

Этот метод основан на эффекте Мессбауэра, который заключается в поглощении атомным ядром монохроматического γ-излучения, испускаемого радиоактивным атомом. Образец подвергается действию γ-лучей, излучаемых радиоактивным железом .

Если сообщить источнику некоторую скорость движения относительно образца, то можно изменить частоту излучаемого γ-кванта за счёт эффекта Доплера. При некотором значении частоты, ядра образца будут поглощать γ-кванты, переходя в возбуждённое состояние. Метод используется при анализе свойств Fe-содержащих групп в белках. При этом, резонансная частота атома железа в группе сильно зависит от электронной структуры атома, окружающих групп и характера их взаимодействий. Эффект поглощения излучения усиливают путём обогащения образца изотопами железа, повышая, например, их содержание в пище подопытных животных. Также возможно применение γ-излучающих изотопов в качестве меченых атомов и эффект Мессбауэра как анализатор.

42. Использование поляризованного света в изучении биополимеров.

Поляризованный свет содержит только электромагнитные волны с одной плоскостью колебания.

Свет может быть плоскополяризован ( обе фазы лежат в одной плоскости) или поляризован по кругу ( фазы взаимно перпендикулярны).

Если взять 2 когерентные волны одинаковой амплитуды поляризованных по кругу и пропустить их через оптически активную среду, возможны разные эффекты:

1. Разное поглощение компонент. При разной степени поглощения право- и левополяризованных лучей – круговой дихроизм. Круговым дихроизмом обладают многие вещества обладающие свойствами жидких кристаллов, биологические полимеры.

2. Если при прохождении вещества правая и левая компоненты имеют разную скорость, то происходит круговое двулучепреломление. Это может быть связано с тем, что показатели преломления среды для право- и левополяризованной компоненты будут различны, будет происходить фазовый сдвиг компонентов и волны на выходе не будут когерентны.

3. Оптическое вращение (правое и левое) – есть поворот плоскостей поляризации при постоянной сумме этих компонентов. Эффектом оптического вращения обладают оптические изомеры молекул. При этом L и D изомеры поворачивают плоскость поляризации в разные стороны, но на один и тот же угол. Рацемические смеси не обладают свойством оптического вращения. Также этим свойством обладают α и β-структуры белков.

43. Рентгеноструктурный анализ. Его физические принципы и использование при изучении биополимеров.

Рентгенография даёт прямую информацию о расположении атомов в молекулах и кристаллах. Рентгеновские лучи с длинами волн порядка 0,1нм рассеиваются электронными оболочками атомов. Дальнейшая интерференция этих волн приводит к возникновению дифракционной картины. Дифракция наблюдается, если рассеянные волны находятся в фазе, т.е. разность ходя равна целому числу волн. Условие дифракции даётся формулой Брэгга-Вульфа: и зависит от расстояния между кристаллическими плоскостями и угла падения луча. Рентгеноструктурный анализ заключается в определении расстояний между атомами на основании дифракционной картины.

Для рентгеноструктурного анализа необходимо сначала получить исследуемое вещество в кристаллической форме. Анализ рентгенограмм биологических молекул наиболее сложен, так как их кристаллические решётки имеют большое число отражающих плоскостей. Дифракционная картина представляет собой распределение интенсивности, по которому можно определить распределение электронной плотности объекта. Окончательным результатом рентгенографического исследования является пространственная модель, в которой определены положения всех атомов.

При анализе фибриллярных биополимеров получаются рентгенограммы, на которых дифракционные пятна располагаются преимущественно вдоль одной оси. Осевая структура рентгенограммы указывает на наличие одномерно упорядоченной системы. При анализе длинных цепных полимеров необходимо учитывать, что молекулы в кристалле могут находится в разной степени упорядоченности. В этом случае строят модель исследуемой системы, рассчитывают распределение интенсивностей рефлексов, а затем по совпадению модели с опытными данными судят об истинности модели. Таким способом была установлена пространственная модель ДНК.

44. Плазматическая мембрана. Её строение согласно жидкостно-мозаичной модели. Липиды плазматической мембраны. Их характеристика. Физические механизмы формирования бислоя липидов. Общие принципы пространственной организации липидного бислоя.

Плазматическая мембрана – это динамическая организованная система, состоящая из двойного слоя липидов, белков и небольшого количества углеводов, связанных с липидами и белками. Согласно жидкостно-мозаичной модели, в двойной слой липидов погружены молекулы белков, разделяемые, по степени погружения в бислой, на поверхностные, погружённые и интегральные. Поверхностные белки гидрофильны, а погружённые и интегральные имеют определённые гидрофобные домены, обеспечивающие их встраивание в липидный слой. По составу белков слои мембраны асимметричны.

Среди липидов мембраны выделяют фосфолипиды, гликолипиды и стероиды.

Фосфолипиды подразделяются на глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды.

Фосфолипиды представляют основную часть липидов мембран.

Фосфотидилэтаноламин: R = NH3-(CH2)2-PO3-

Фосфотидилхолин: R = +N(CH3)3-PO3-

Церамид: R = H

Сфингомиелин: R = +N(CH3)3-(CH2)2-PO3-

Свойства липидов зависят от жирных кислот, входящих в их состав. В частности, важную роль играет количество ненасыщенных связей в цепи ЖК. От степени ненасыщенности зависит температура плавления липидов, чем более ненасыщенны ЖК липида, тем ниже температура плавления. Также, чем больше ненасыщенность связей, тем меньше плотность упаковки мембраны и больше проницаемость мембраны.

Гликолипиды – это липиды, содержащие углеводную цепь. Наиболее распространены гликосфинголипиды. Их роль в предотвращении слипания клеток, за счёт наличия электростатического отталкивания между отрицательно заряженными углеводными группами.

Стероиды сосредоточены в гидрофобной части липидного бислоя. Главная их функция в заполнении пустот между неполярными хвостами липидов, что уменьшает текучесть и стабилизирует мембрану, снижает её пассивную проницаемость.

Общие принципы организации бислоя:

Неполярные хвосты липидов направлены внутрь мембраны и высокоупорядочены.

Полярные головки липидов расположены в плоскости мембраны и могут образовывать водородные связи.

Ацильные цепи расположены под некоторым углом к полярным головкам.

Связи в ацильных цепях могут находиться в различных пространственных конформациях. Для насыщенных связей наиболее устойчива транс-конформация, а для ненасыщенных связей – цис-конформация. От конформации будет зависеть общее направление ацильной цепи. Возможно формирование гош-конформации – поворот вокруг насыщенной связи на 180° - это приводит к формированию в мембране кинков или петель, что снижает плотность упаковки. В мембране часто находятся кинк-блоки – большое количество липидов, находящихся в одинаковой гош-конформации.

45. Фазовые переходы в биологических мембранах. Их характеристика и функциональное значение.

Липидная мембрана представляет собой динамическую структуру, строение бислоя может меняться в течении жизни или при изменении физических условий. Фазовые переходы мембраны происходят между двумя состояниями: Гель и Жидкий кристалл.

1. Гель:

· Все Ацильные цепи полностью имеют транс-конформацию и вытянуты параллельно друг другу.

· Толщина мембраны больше.

· Площадь, приходящаяся на 1 молекулу меньше.

· Мембрана в целом более компактна.

2. Жидкий Кристалл:

· Часто встречаются транс-гош-переходы, кинки.

· Толщина мембраны меньше.

· Площадь, приходящаяся на 1 молекулу больше.

· Упорядоченность и компактность меньше, Энтропия системы больше.

Переход между этими двумя фазами является переходом 1 рода.

В матриксе одной фазы может существовать большое количество микроскопических доменов другой фазы.

Фазовые переходы происходят при определённой температуре, зависящей от состава липидов.

При фазовом переходе может происходить увеличение пассивной проводимости мембраны, связанное с образованием каналов на границе участков мембраны, имеющих разное фазовое состояние. Этот процесс лежит в основе терморецепции и хеморецепции.

46. Свободнорадикальное окисление в биологических мембранах. Характеристика процесса и его значение для клетки.

Свободнорадикальное окисление связано с образованием радикалов жирных кислот под действием активных форм кислорода и перекиси. Образование активных форм кислорода начинается с присоединения электрона к молекуле кислорода.

При этом может образовываться супероксид-ион, перекись и гидроксильный радикал.

Эти формы являются очень реакционноспособными и вступают во взаимодействие практически с любыми веществами.

Возможно присоединение перекиси по двойной связи жирных кислот липидов. Это приводит к образованию липидных перекисей, которые в свою очередь также являются высокоактивными соединениями. В результате они взаимодействуют друг с другом с образованием поперечных сшивок между липидными молекулами. Этот процесс приводит к увеличению количества упорядоченных молекул с ограниченной подвижностью, повышается проницаемость мембраны.

Для ликвидации действия АФК в клетке работают антиоксидантные системы: Супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза и системы, направленные на дезактивацию синглетного кислорода: α-токоферол, β-каротин.

47. Транспорт веществ через мембраны. Термодинамическая характеристика процесса. Ионное равновесие в мембранных системах. Уравнение Нернста для равновесного потенциала.

Транспорт веществ через мембраны подразделяется на активный и пассивный. Пассивный транспорт всегда идёт по градиенту электрохимического потенциала до тех пор, пока разность потенциалов не будет равна нулю. Активный транспорт идёт против градиента потенциала, приводит к росту мембранного потенциала и использует внешние источники энергии. Химический потенциал – это величина, численно равная энергии Гиббса для 1 моль вещества при постоянных давлении и температуре. Электрохимический потенциал учитывает заряд частиц, помещённых в постоянное электрическое поле.

В условиях равновесия, электрохимические потенциалы двух растворов равны:

Из этого соотношения можно получить формулу Нернста для равновесного потенциала:

В дальнейшем, Ходжкин вывел формулу для потенциала, создаваемого несколькими ионами:

48. Электродиффузионная теория пассивного транспорта. Уравнение Нернста-Планка. Его вывод и решение.

Поток вещества через мембрану подчиняется уравнению Теорелла:

Подставив сюда уравнение для электрохимического потенциала получаем:

Последнее выражение и есть уравнение Нернста-Планка, оно показывает две причины переноса веществ через мембрану: градиент концентрации и градиент электрического потенциала.

Подход Планка-Гендельсона предполагал электронейтральность мембраны и равенство концентраций катионов и анионов по разные стороны мембраны. Следовательно, равенство потоков катионов и анионов, тогда

Гольдман предположил линейность электрохимического потенциала в толще мембраны:

Тогда решение уравнения для концентраций иона на краях мембраны будет таким:

Ходжкин в дальнейшем предположил, что концентрации ионов на краях мембраны пропорциональны концентрациям в соответствующих растворах.

Тогда Уравнение Гольдмана преобразуется

коэффициент проницаемости.

49. Пассивный транспорт неполярных веществ. Уравнение Нернста-Планка для транспорта неполярных веществ. Закон Фика. Механизмы транспорта неполярных соединений.

Уравнение Нернста-Планка показывает две причины переноса веществ через мембрану: градиент концентрации и градиент электрического потенциала. Для неполярных веществ(z=0) формула сводится к закону диффузии Фика:

Закон диффузии Фика показывает, что транспорт неполярных молекул зависит только от проницаемости молекул, что выражается в коэффициенте диффузии, и пропорционален разности концентраций.

Существует три механизма пассивного транспорта неполярных веществ: простая диффузия, облегчённая диффузия и фильтрация.

Простая диффузия неполярных веществ не требует наличия специальных структур и зависит только от растворимости в липидах – липофильности – и от вязкости мембраны.

Облегчённая диффузия для неполярных веществ происходит с участием специальных переносчиков. Этот перенос может происходить в симпорте или антипорте с другими веществами.

Транспорт через поры или каналы – специальные мембранные структуры, транспорт через которые зависит только от градиента концентрации. Каналы являются регулируемыми структурами.

В то же время возможен и активный транспорт неполярных веществ против градиента их концентрации.

50. Уравнение Гольдмана. Его вывод и физический смысл. Понятие проницаемости и проводимости мембраны.

Уравнение Нернста-Планка показывает две причины переноса веществ через мембрану: градиент концентрации и градиент электрического потенциала.

Гольдман предположил линейность электрохимического потенциала в толще мембраны:

Тогда решение уравнения для концентраций иона на краях мембраны будет таким:

Тогда Уравнение Гольдмана преобразуется

коэффициент проницаемости.

51. Классификация транспорта веществ через мембраны. Термодинамическая и биологическая характеристика отдельных видов транспорта.

В первую очередь транспорт веществ через мембраны подразделяется на активный и пассивный.

Пассивный транспорт: Простая диффузия, облегчённая диффузия и фильтрация.

Активный транспорт: Первично активный и вторично активный транспорт.

Отдельным типом транспорта является везикулярный транспорт.

1. Простая диффузия. Простая диффузия неэлектролитов не требует наличия каких-либо специализированных структур, зависит только от липофильности и градиента концентрации. В общем случае диффузия зависит от размеров частицы: Вероятность диффузии крупных молекул через мембрану ниже. Простая диффузия электролитов затруднена наличием мембранного потенциала и гидрофильностью, поэтому диффузия электролитов требует участия специальных селективных каналов в мембране. Электролиты играют важную роль в жизнедеятельности клетки и транспорт электролитов может регулироваться изменением проницаемости каналов.

2. Облегчённая диффузия. Осуществляется с участием специализированных переносчиков. Перенос осуществляется значительно быстрее, чем простая диффузия. С её помощью осуществляется перенос аминокислот, моносахаридов, некоторых ионов.

3. Фильтрация осуществляется через специальные образования в мембране – поры, через которые может происходить неспецифический транспорт растворов. Фильтрация происходит по градиенту гидростатического давления и зависит от вязкости раствора и размеров поры.

4. Первично активный транспорт. Всегда сопряжён с использованием энергии АТФ и транспортирует вещества против градиента концентрации. Транспортеры очень специфичны относительно переносимых частиц и могут регулироваться.

5. Вторично активный транспорт. Является частным случаем облегчённой диффузии, но при этом транспорт одного вещества против градиента концентрации сопряжён с транспортом другого вещества по градиенту концентрации. Возможны два случая: симпорт и антипорт, в зависимости от направления транспорта.

6. Везикулярный транспорт. Осуществляется транспорт в замкнутых мембранах. Транспорт обеспечивается слиянием и разделением мембранных везикул, частным случаем являются процессы фагоцитоза и пиноцитоза. Это единственный способ транспорта крупных, состоящих из большого числа молекул, частиц.

52. Ионный транспорт через каналы. Основные свойства ионных каналов. Общий план строения ионного канала. Физические принципы работы ионного канала.

Ионные каналы – интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрации ионов по обе стороны мембраны (трансмембранный ионный градиент).

Неселективные каналы обладают следующими свойствами:

• пропускают все типы ионов, но проницаемость для ионов K+ значительно выше, чем для других ионов;

• всегда находятся в открытом состоянии.

Селективные каналы обладают следующими свойствами:

• пропускают только один вид ионов; для каждого вида ионов существует свой вид каналов;

• могут находиться в одном из 3 состояний: закрытом, активированном, инактивированном.

Избирательная проницаемость селективного канала обеспечивается селективным фильтром, который образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода, которое находится в самом узком месте канала.

Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма, который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, так называемые активационные ворота и инактивационные ворота, изменяя свою конформацию, могут перекрывать ионный канал.

Для потенциалзависимого канала, в состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня МП канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.

В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:

· хемочувствительные – регуляция лигандом;

· потенциалзависимые – регуляция мембранным потенциалом;

· механочувствительные – реагируют на деформацию мембраны.

53. Регуляция работы ионных каналов. Механизмы регуляции. Фармакологическая блокада ионных каналов.

· хемочувствительные – регуляция лигандом;

· потенциалзависимые – регуляция мембранным потенциалом;

· механочувствительные – реагируют на деформацию мембраны.

Наряду с этим, существуют механизмы блокады каналов. Эти механизмы условно подразделяются на естественные и искусственные.

В естественных условиях блокада может происходить связыванием блокирующего агента в просвете канала или аллостерическим связыванием агента, что вызывает стабилизацию закрытого состояния канала.

Возможна также искусственная блокада каналов. Ингибиторами натриевых каналов являются тетродотоксин, сакситоксин – неконкурентно связываются в просвете канала. Местные анастетики, новокаин, конкурентно связываются и не действуют в кислой среде, вытесняясь протонами. Стрихнин является аллостерическим блокатором натриевых каналов.

Тетраэтиламмоний является неконкурентным ингибитором калиевых каналов.

54. Облегчённая диффузия. Характеристика процесса.

Облегчённая диффузия – это механизм пассивного транспорта с участием с участием специфических переносчиков. Перенос происходит во много раз быстрее, чем простая диффузия.

Перенос облегчённой диффузией одного вещества по градиенту концентрации может быть сопряжён с вторично активным транспортом другого вещества против его градиента концентрации.

Перенос может осуществляться разными механизмами:

1. Миграционный – происходит перемещение переносчика внутри мембраны от одной её поверхности до другой. При этом переносчик может оставаться в плоскости мембраны и присоединять вещество только на поверхностях мембраны, а может выходить за пределы мембраны и присоединять вещество в растворе. Механизмы малой и большой карусели.

2. Ротационный – происходит поворот молекулы переносчика вокруг своей оси, лежащей в плоскости мембраны.

3. Сдвиговый – происходит изменение конформации переносчика, полный поворот молекулы переносчика не происходит, отдельные группы закреплены в липидном слое.

Переносчики обладают высокой специфичностью по отношению к переносимым веществам.

Скорость облегчённой диффузии обладает свойством насыщения, оно происходит, когда все молекулы переносчика будут заняты.

55. Мембранный потенциал покоя. Его механизмы. Расчёт величины мембранного потенциала.

Мембранный потенциал покоя образуется главным образом благодаря выходу К+ из клетки через неселективные ионные каналы. Утечка из клетки положительно заряженных ионов приводит к тому, что внутренняя поверхность мембраны клетки заряжается отрицательно относительно наружной.

Мембранный потенциал, возникающий в результате утечки К+ , называют «равновесным калиевым потенциалом» (Ек). Его можно рассчитать по равнению Нернста

ПП, как правило, очень близок к Ек, но не точно равен ему. Эта разница объясняется тем, что свой вклад в формирование ПП вносят:

• поступление в клетку Na+ и Cl– через неселективные ионные каналы; при этом поступление в клетку Cl– дополнительно гиперполяризует мембрану, а поступление Na+ – дополнительно деполяризует ее; вклад этих ионов в формирование ПП невелик, так как проницаемость неселективных каналов для Cl– и Na+ в 2,5 и 25 раза ниже, чем для К+.

• прямой электрогенный эффект Na+/К+ ионного насоса, возникающий в том случае, если ионный насос работает асимметрично (На 2 иона, поступающих в клетку K+ приходится 3 иона Na+, выносимых во внешнюю среду).

Расчёт величины ПП можно произвести и с учётом этих влияний. Влияния других ионов и электрогенного эффекта учитывается в формуле Томаса:

m – коэффициент электрогенности.

Если принять средние концентрации ионов и проводимости мембраны:

Тогда величина потенциала покоя получается порядка -60-70мВ.

56. Мембранный потенциал действия. Механизмы и общие свойства мембранного потенциала действия. Расчёт величины мембранного потенциала действия.

Потенциал действия развивается на мембране в результате её возбуждения и сопровождается резким изменением мембранного потенциала.

В потенциале действия выделяют несколько фаз:

• фаза деполяризации;

• фаза быстрой реполяризации;

• фаза медленной реполяризации (отрицательный следовый потенциал);

• фаза гиперполяризации (положительный следовый потенциал).

Фаза деполяризации. Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. При деполяризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации (КУД) происходит лавинообразное открытие потенциалчувствительных Na+-каналов. Положительно заряженные ионы Na+ входят в клетку по градиенту концентрации (натриевый ток), в результате чего мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.

Фаза быстрой и медленной реполяризации. В результате деполяризации мембраны происходит открытие потенциалчувствительных К+-каналов. Положительно заряженные ионы К+ выходят из клетки по градиенту концентрации (калиевый ток), что приводит к восстановлению потенциала мембраны. В начале фазы интенсивность калиевого тока высока и реполяризация происходит быстро, к концу фазы интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется.

Фаза гиперполяризации развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na+/K+ помпы.

Изменение величины мембранного потенциала во время развития потенциала действия связано в первую очередь с изменением проницаемости мембраны для ионов натрия и калия. Расчёт мембранного потенциала можно произвести по уравнению Нернста для равновесного потенциала.

В фазу деполяризации происходит резкое изменение проницаемости для натрия:

В состоянии покоя:

В фазу деполяризации:

Проводимость мембраны для ионов натрия возрастает в 500 раз за счёт открытия специфических натриевых каналов. Происходит скачок мембранного потенциала от -60-70мВ до +40+50мВ.

Одним из главных свойств ПД является его способность распространяться вдоль мембраны без затухания. Это лежит в основе нервного проведения импульса.

57. Модель Ходжкина-Хаксли. Её характеристика и значение для биофизики клетки.

Модель предполагает:

· Изменение токов, текущих через мембрану и мембранного потенциала является следствием изменения проницаемости мембраны для натрия и калия.

· Перенос натрия и калия осуществляется различными не взаимодействующими структурами.

· Пропускная способность мембраны управляется электрическим полем. Во внутренней структуре мембраны присутствуют заряженные частицы, управляющие её проводимостью.

Суммарный ток через мембрану представили как сумму емкостного тока и ионных токов:

Было высказано предположение, что калий может проходить через мембрану, если к каналу одновременно подойдут 4 однозаряженных частицы. Эта вероятность была представлена, как

Для натрия проведение возможно при присоединении трёх активирующих частиц m и отсоединения одной блокирующей h.

При возрастании положительного мембранного потенциала изменяются коэффициенты α и β. Этот механизм лежит в основе потенциалзависимого переноса натрия и калия во время формирования ПД.

Модель Ходжкина-Хаксли даёт хорошее согласие с опытными данными и может быть использована для моделирования электрических процессов в мембране.

58. Молекулярные механизмы сопряжения окисления и фосфорилирования.

Сопряжение окисления и фосфорилирования – это механизм, благодаря которому происходит преобразование энергии электрохимического градиента в энергию химических связей АТФ.

Формирование трансмембранного градиента протонов обеспечивается работой электрон-транспортной цепи. Преобразование этого градиента протонов в энергию макроэргических связей АТФ обеспечивается работой АТФ-синтазного комплекса.

АТФ-синтазный комплекс состоит из трансмембранного комплекса F0, образующего канал в мембране, и комплекса F1, располагающегося вне мембраны. F1 состоит из нескольких субъединиц: 3α, 3β, γ, δ и ε. α и β субъединицы могут вращаться вокруг γ-субъединицы, δ и ε служат для прикрепления к комплексу F0.

Невозможность образования макроэргической связи обусловлена наличием избыточной электронной плотности на атомах кислорода фосфатных остатков. β-субъединица оттягивает электронную плотность от атома кислорода, а в процессе вращения комплекса происходит сближение фосфата и АДФ, что облегчает образование связи. Вращение комплекса обусловлено конформационными изменениями при протонировании АК остатков протонами, проходящими через канал комплекса F0. На каждые 2 проходящих протона синтезируется одна молекула АТФ. Суть работы АТФ-синтазного комплекса заключается в преодолении потенциального барьера реакции образования макроэргической связи АТФ.

59. Молекулярные механизмы активного транспорта.

Основные особенности первично активного транспорта:

1. Осуществляется против концентрационного градиента.

2. Система первичного транспорта очень специфична.

3. Для его обеспечения необходима АТФ или другие источники энергии.

4. Обменивает один вид ионов на другой (К/Na насос).

5. Активный транспорт с помощью ионных насосов избирательно подавляется блокирующими агентами.

Механизм вторично активного транспорта заключается в переносе веществ через мембрану против концентрационного градиента, обеспечиваемом энергией, которая высвобождается при переносе другого вещества по градиенту. В отличие от первично активного транспорта, энергия для которого высвобождается при гидролизе АТФ.

Механизм работы K/Na-АТФазы.

Фермент состоит из двух субъединиц, закреплённых в мембране. Для закрепления необходимы фосфолипиды, при их отсутствии прекращается АТФазная активность фермента.

1. На первом этапе фермент расположен у внутренней стороны мембраны, где происходит его фосфорилирование и присоединение иона Na+. Происходит расщепление АТФ. Это приводит к изменению конформации белка и перемещению его к наружной стороне мембраны. Энергия для этого процесса берётся от расщепления АТФ.

2. Изменение приводит к тому, что новая конформация имеет низкое сродство к Na+ и высокое сродство к K+. При этом, на внешней стороне мембраны выделяется натрий и присоединяется калий. Это в свою очередь приводит к новому изменению конформации и возвращению K/Na-АТФазы к внутренней стороне мембраны.

3. На внутренней стороне мембраны происходит отщепление АДФ и фосфата, фермент снова готов к новому циклу работы.

Энергия АТФ используется для осуществления переходов между конформациями, имеющими разное сродство к Na+ и K+. За каждый цикл работы переносится 2 иона калия и 3 иона натрия.

60. Молекулярная организация сократительного аппарата миофибрилл.

В сократительном аппарате миофибриллы выделяют тонкие и толстые нити. Тонкие нити состоят из глобулярного белка актина и проходят через Z-диски, на каждые 7 молекул актина приходится две молекулы тропомиозина, расположенных в каждой продольной борозде двойной спирали актина. Также в состав тонких нитей входит тропонин, соединённый с молекулами тропомиозина. Толстые нити состоят из фибриллярного белка миозина. Сам миозин в свою очередь состоит из лёгкого меромиозина, образующего продольную часть молекулы, и тяжёлого меромиозина, образующего головку миозина. Каждая нить миозина состоит из 180-360 молекул миозина, соединённых частями лёгкого меромиозина. Головки миозина – суперспирализованные участки тяжёлого меромиозина - выступают с определённой периодичностью на обоих концах нити и в процессе сокращения контактируют с нитями актина.

61. Мостиковая гипотеза мышечного сокращения. Рабочий цикл мостика, его этапы. Механизмы механохимического сопряжения в сократительном аппарате.

Мостиковая гипотеза мышечного сокращения заключается в том, что сокращение миофибрилл обеспечивается циклической работой головок миозина, образующих мостики с актином и продвигающих нити актина друг навстречу другу.

Рабочий цикл мостика:

1. Головка миозина соединена с нитью актина. Головка имеет высокое сродство к АТФ.

2. К головке миозина присоединяется молекула АТФ. Это приводит к изменению конформации головки и нарушению стереоспецифического соответствия между контактирующими участками актина и миозина.

3. Головка миозина теряет связь с актином и приобретает АТФ-азную активность.

4. Происходит гидролиз АТФ на свободном миозине и изменение конформации головки. Энергия гидролиза АТФ запасается в виде механической потенциальной энергии деформации головки миозина. В то же время головка приобретает сродство к актину.

5. Головка миозина присоединяется к одной из глобул актина перпендикулярно оси нити и поворачивается на угол 45°, проталкивая актиновую нить в направлении от Z-мембраны. Соединение с актиновой нитью обеспечивается сначала слабым электростатическим взаимодействием, а затем сильным стереоспецифичным взаимодействием. Изменение конформации и высвобождение накопленной потенциальной энергии происходит при отсоединении продуктов гидролиза АТФ. Система возвращается к минимуму свободной энергии.

62. Механика и энергетика мышечного сокращения.

Механика мышечного сокращения изучалась Хиллом. В процессе сокращения мышца может работать в двух режимах: Изометрический режим – мышца развивает силу при постоянной длине, Изотонический режим – мышца укорачивается при постоянной нагрузке. При изотоническом сокращении укорочение убывает с ростом груза, и его максимум достигается тем раньше, чем больше этот груз. Развитие изометрического напряжения следует той же зависимости.

Хилл эмпирически установил зависимость скорости изотонического сокращения от нагрузки.

Эта зависимость имеет гиперболическую форму и справедлива при постоянных скоростях сокращения и при физиологических длинах мышцы. P0 зависит от длины саркомера в мышечном волокне и максимальна в области 1,7-2,5мкм, когда существует возможность образования максимального числа мостиков между актином и миозином. Работа, производимая мышцей при сокращении, будет равна, по уравнению Хилла.

Эта функция имеет колоколообразную форму от 0 до P0 с максимумом при P≈0,31 P0, что соответствует оптимальной нагрузке мышцы.

Одновременно с совершением работы, мышца выделяет тепло. Тепло выделяется как при изотоническом сокращении, так и при изометрическом напряжении и при растяжении мышцы под действием внешней силы. На раннем этапе сокращения выделяется теплота активации Qa, связанная с выделением Ca2+ в саркоплазму, а по мере сокращения мышцы выделяется теплота сокращения Qc в результате взаимодействия тонких и толстых нитей. Общее изменение энергии в системе таким образом равно:

Эффект Фенна: полная энергия, выделяемая мышцей при одиночном сокращении больше, чем при изометрическом сокращении. Во время сокращения происходит выделение экстратеплоты за счёт укорочения мышцы, скорость её выделения пропорциональна скорости укорочения.

Механическая эффективность мышцы определяется как отношение работы к израсходованной энергии.

Эффективность может достигать 45% у мышц лягушки и 75% для мышц человека.

63. Миграция энергии и электронов в биологических структурах.

Под миграцией энергии понимают безызлучательный перенос энергии или электронов между молекулами, находящимися в основном состоянии или между отдельными частями одной молекулы. Возможность переноса электронов обеспечивается наличием коллективизированных π-электронных облаков. Выделяют три механизма миграции энергии:

1. Индуктивно-резонансный.

Происходит миграция энергии по синглетным уровням. Возбуждённым электроном донора генерируется переменное магнитное поле, которое взаимодействует с электроном акцептора. Если частота переменного поля совпадает с частотой перехода электрона донора на возбуждённый уровень, происходит перенос энергии. Такой механизм имеет место при небольших энергиях взаимодействия, но перенос может происходить на большие расстояния.

2. Обменно-резонансный.

В этом случае происходит обмен электронами триплетных уровней. Для осуществления такого обмена необходимо частичное перекрывание электронных облаков донора и акцептора.

3. Экситонный механизм.

Этот механизм имеет место при больших энергиях взаимодействия. При этом возбуждение передаётся с донора на акцептор раньше релаксации самого донора. При этом может произойти передача сразу на несколько молекул-доноров. Эта область передачи возбуждения называется экситон.

Перенос электрона между взаимодействующими группами происходит по туннельному механизму и сопряжён с изменением конформации молекул.

64. Фотобиологические процессы. Их значение для живой материи. Классификация фотобиологических процессов. Общие закономерности фотобиологических процессов.

Свет выполняет две важных функции в живых системах: Энергетическую – обеспечение живых систем энергией от Солнца, и информационную – обеспечение взаимодействия живых систем с окружающей средой.

По характеру использования энергии света все процессы делятся на эндэргонические – при которых энергия света превращается в энергию химических связей с высоким запасом свободной энергии, и экзэргонические – при которых большая часть энергии рассеивается в тепло, а часть энергии используется для преодоления активационного барьера.

По значению процессы делятся на: физиологические – аккумуляция энергии, реакции синтеза, активного транспорта, фотоинформационные и фоторегуляционные процессы; деструктивно-модификационные – повреждение и модификация молекул биологического объекта.

Все фотобиологические процессы протекают по общей схеме:

1. Поглощение света молекулой.

Не все молекулы поглощают свет, поглощается свет не любой длины волны и не всеми атомными группами молекулы. Атомные группы, поглощающие свет определённой длины волны – хромофорные группы. Наиболее хорошо поглощают свет группы с делокализованными π-электронами в длинных цепях сопряжения. Эти электроны могут легко переходить на более высокие энергетические уровни. Процесс релаксации делокализованных электронов наиболее долгий. После поглощения кванта света хромофорная группа переходит на более высокое энергетическое состояние.

2. Дезактивация возбуждённого состояния.

· Внутримолекулярная инверсия. Молекула может вернуться на более низкий энергетический уровень с излучением теплоты или теплоты и флуоресценции.

· Фотохимическая реакция. Уровень энергии возбуждённого состояния превышает энергетический барьер разрыва химических связей, это приводит к протеканию химической реакции.

· Миграция энергии и Конформационные превращения. При этом может происходить миграция энергии к другим атомным группам или молекулам, что сопровождается изменениями конформации.

3. Проявление специфического фотобиологического эффекта. Например, перенос протона, регуляторный акт, изменение проницаемости мембран, биосинтез.

65. Фотопревращения бактериородопсина. Их характеристика.

Бактериородопсин – пигмент пурпурных мембран галофильных бактерий. Он создаёт трансмембранный градиент протонов за счёт энергии света, далее этот градиент используется для синтеза АТФ.

Бактериородопсин состоит из хромофорной группы ретиналя, присоединённой к Лиз-216 белковой группы опсина.

До поглощения кванта света ретиналь находится у наружной поверхности мембраны, протон электростатически связан с асп-85. При поглощении кванта света, ретиналь переходит в возбуждённое состояние, происходит его цис-транс изомеризация, протон остаётся на асп-85 и затем выделяется на поверхность мембраны. В новом положении ретиналь контактирует с асп-86 у внутренней поверхности мембраны, забирает протон от асп-86, что приводит к обратному изменению конформации. Асп-86 протонируется из внутренней среды.

Таким образом, цепь переноса:

Перенос протона бактериородопсином обеспечивается изменением его конформации под действием света.

66. Фотоинформационные и фоторегуляционные процессы.

Фотоинформационные процессы обеспечивают взаимодействие организма с окружающей средой. Фотоинформационные процессы имеют триггерный, нелинейный характер. Свет служит лишь сигналом, запускающим сложную цепь биохимических изменений, которые приводят к определённому биологическому эффекту.

При процессах зрительной рецепции принимают участие зрительные пигменты, главным из которых является родопсин. Родопсин содержится в мембранах дисковидных структур палочковых рецепторов сетчатки глаза. Родопсин состоит из ретиналя и опсина, но опсин отличается от такового бактерий.

1. При поглощении кванта света ретиналем происходит его изомеризация и передача протона другим аминокислотам опсина.

2. Опсин меняет свою конформацию и переходит в физиологически активное состояние.

3. Активированный опсин фосфорилирует трансдуцин, вызывая его активацию при участии ГТФ. Активированный трансдуцин, в свою очередь, фосфорилирует фосфодиэстеразу, переводя её в активное состояние. Фосфодиэстераза катализирует процесс расщепления цГМФ. Этот этап ответственен за эффект усиления, так как одна активированная молекула фосфодиэстеразы может расщепить много тысяч молекул цГМФ.

4. Снижение уровня цГМФ приводит к инактивации Na+ каналов в мембране. Происходит гиперполяризация мембраны, гиперполяризация распространяется электротонически к пресинаптической мембране и вызывает выделение медиатора.

5. В темноте снова происходит регенерация родопсина.

Для фоторегуляторных процессов характерен практически тот же механизм. Во всех процессах обязательно наличие фотохрома, воспринимающего свет, цепи передачи и усиления сигнала и конечного акцептора, ответственного за реализацию эффекта. Конечным эффектом в фоторегуляторных процессах может быть изменение мембранной проницаемости для ионов или гормонов, передача возбуждения на ферменты с изменением их активности, или передача возбуждения на субстрат с последующей его модификацией.

67. Фотодеструктивные процессы. Их общая характеристика. Фотосенсибилизация, её виды и механизмы. Основные типы фотодеструктивных изменений в биологических молекулах.

Фотодеструктивные процессы – это процессы нарушения свойств биологических молекул под действием света. Фотодеструктивные процессы напрямую индуцируются коротковолновым ультрафиолетом, который поглощается нуклеиновыми кислотами и белками. Длинноволновое УФ излучение и видимый свет практически не поглощается НК и белками, для реализации их деструктивного действия большую роль играют фотосенсибилизаторы.

1. Фотосенсибилизация с участием O2. Фотодинамические процессы.

· Фотовозбуждённый сенсибилизатор вступает в RedOx реакцию с макромолекулами, в результате образуются реакционноспособные радикалы сенсибилизатора и молекулы биологического субстрата. Радикалы вступают в реакцию с кислородом.

· А другом случае происходит перенос энергии от фотосенсибилизатора на кислород с образованием синглетного кислорода или супероксид-иона. АФК реагируют с биологическими молекулами и повреждают их.

2. Фотосенсибилизация без участия O2. Фотостатические процессы.

· Возбуждённый фотосенсибилизатор взаимодействует с субстратом, вызывая его изменение, но не образует с субстратом постоянного соединения.

· Возбуждённый фотосенсибилизатор образует устойчивое соединение с субстратом, нарушая его свойства.

К основным типам фотодеструктивных изменений относятся: образование или разрыв ковалентных связей (фотполимеризация, фотодимеризация, фотогидратация), фотоионизация, изменение конформации ферментов и их активности, образование перекисей, перекисное окисление липидов.

68. Фотодеструктивные процессы. Их общая характеристика. Фотосенсибилизация, её виды и механизмы. Действие ультрафиолетового излучения на биологические мембраны. Механизмы повреждения и их последствия.

1. Фотосенсибилизация с участием O2. Фотодинамические процессы.

2. Фотосенсибилизация без участия O2. Фотостатические процессы.

· Возбуждённый фотосенсибилизатор образует устойчивое соединение с субстратом, нарушая его свойства.

Действие УФ излучения на мембраны складывается из действия на мембранные белки и действия на липиды мембран.

Свободнорадикальное окисление липидов связано с образованием радикалов жирных кислот под действием активных форм кислорода и перекиси. Образование активных форм кислорода начинается с присоединения электрона к молекуле кислорода.

При этом может образовываться супероксид-ион, перекись и гидроксильный радикал.

Действие на мембранные белки может протекать по фотодинамическому механизму, через образование АФК, а также без участия кислорода при поглощении излучения самими белками. Основные эффекты повреждения связаны с изменением конформации белков.

69. Фотодеструктивные процессы. Действие ультрафиолетового излучения на нуклеиновые кислоты. Механизмы фотореактивации и фотозащиты.

Фотодеструктивные процессы – это процессы нарушения свойств биологических молекул под действием света. ДНК имеет максимум поглощения в области 260-265нм, поэтому является основной мишенью для действия коротковолнового ультрафиолета. Мишенями являются, в основном, пиримидиновые азотистые основания. Поглощение кванта излучения приводит к образованию возбуждённых форм, дезактивация которых может происходить в различных химических реакциях.

1. Фотодимеризация: наиболее частый процесс, составляющий 80% всех летальных эффектов коротковолнового излучения. Эта реакция фотообратима, обратная реакция протекает при других длинах волн.

2. Фотогидратация: присоединение воды к возбуждённому пиримидиновому кольцу по двойной связи. Эта реакция не является фотообратимой, но происходит только в одноцепочечных участках ДНК, где идут активные процессы транскрипции и трансляции.

3. Образование пиримидиновых аддуктов: Это процесс образования сшивок между пиримидиновыми основаниями и другими веществами. Их образуется немного и они редко приводят к летальным эффектам. Также могут образовываться сшивки пиримидиновых оснований с белками.

Действие длинноволнового ультрафиолета проявляется только в присутствии фотосенсибилизаторов и при высоких интенсивностях длинноволнового ультрафиолета. Реакции могут протекать по фотодинамическому механизму или без участия кислорода. Фотосенсибилизаторами являются НАДНН+, тиоурацил, тиоуридин, кетоны и псоралены. В качестве продуктов могут образовываться пиримидиновые димеры и одноцепочечные разрывы ДНК.

Существует два механизма, предотвращающих повреждение нуклеиновых кислот:

1. Фотореактивация. Процесс обусловлен действием фермента фотолиазы. Фермент активируется действием света 320-500нм и катализирует распад пиримидиновых димеров.

2. Фотозащита. При предварительном облучении клеток длинноволновым ультрафиолетом значительно снижается их чувствительность к коротковолновому ультрафиолету. Это снижение чувствительности обеспечивается синтезом серотонина, который берёт на себя часть поступающего излучения.

70. Фотодеструктивные процессы. Их общая характеристика. Действие ультрафиолетового излучения на белки.

В белках наиболее подвержены действию ультрафиолета аминокислоты триптофан и цистеин.

Триптофан под действием коротковолнового ультрафиолета подвергается ионизации. Триптофан отделяет электрон, который сольватируется в растворе. Далее, катион диссоциирует на протон и нейтральный радикал, обладающий высокой реакционной способностью, и может образовывать сшивки с соседними группами аминокислотной цепи белка. Если реакции подвергся ТРП активного центра, это приводит к потере реакционной способности белка, а если нет, то это приводит к изменению конформации белка и снижению функциональной активности.

Сольватированный электрон может соединяться с растворённым кислородом с образованием супероксид-иона, который может вызывать повреждения по фотодинамическому механизму.

Фотореакции цистеина происходят по сходному механизму, что приводит к разрыву дисульфидной связи, нарушению конформации белка и изменению его активности.

71. Виды ионизирующих излучений. Их физическая характеристика. Понятие дозы ионизирующего излучения. Виды дозиметрических показателей.

Ионизирующие излучения условно подразделяются на электромагнитные излучения и корпускулярные излучения:

· Ионизирующие излучения представлены электромагнитными волнами высокой частоты. Рентгеновское – 3х106 – 3х109 ГГц и γ-излучение – >3х109 ГГц

· Корпускулярные излучения представлены частицами с ненулевой массой, обладающими высокими скоростями. Такими частицами могут быть электроны, позитроны, нейтроны, α-частицы, ускоренные ионы.

В результате радиоактивного распада образуется три типа излучения, различных по своим характеристикам.

Линейная плотность ионизации. Эта величина показывает число ионов одного знака, образованных ионизирующей частицей или фотоном на элементарном пути. Наибольшей линейной плотностью ионизации обладает α-излучение, поскольку оно образовано тяжёлыми ядрами гелия и обладает большой кинетической энергией. Величина линейной плотности ионизации пропорциональна энергии излучения.

Средний линейный пробег. Величина, отражающая проникающую способность излучения. Самым проникающим излучением является γ-излучение. Средний пробег в воздухе 300м., в тканях – 1 метр.

β-излучение обладает промежуточными значениями линейной плотности и линейного пробега.

Для оценки величины ионизирующего излучения и его влияния на вещество используют дозиметрические показатели.

1. Доза излучения или экспозиционная доза. Это величина, которая даёт представление о количестве энергии излучения, падающей на объект. Фактически равно полному заряду ионов одного знака, возникающих в элементарном объёме воздуха в отношении к массе воздуха. Измеряется в Кулонах на килограмм. Внесистемная единица: рентген. 1рентген=2,58х10-4Кл/кг. Интенсивность излучения определяют в единицах рентген в секунду.

2. Доза облучения или поглощённая доза. Это величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу. Эта величина измеряется в единицах Грей. 1Грей равен дозе любого ионизирующего излучения при котором в 1кг вещества поглощается 1Дж энергии этого излучения. Внесистемная единица: 1Рад = 10-2Грей.

3. Эквидозиметрические показатели. Это показатели биологического действия ионизирующего излучения.

· Относительная биологическая эффективность – коэффициент, показывающий во сколько раз излучение данного типа отличается от стандартного рентгеновского излучения при 180-250 кэВ.

· Эквивалентная доза – поглощённая в органах и тканях доза излучения умноженная на взвешенный коэффициент для данного вида излучения, отражающий качественное воздействие излучения на объект. Единица измерения Зиверт = 1Дж/кг. Внесистемная: БЭР = 1/100 Зиверт.

72. Действие ионизирующего излучения на вещество.

Действие ионизирующего излучения на вещество специфично для каждого вида излучения и представляет собой первичные эффекты излучения.

1. γ-излучение.

· Фотоэффект

· Некогерентное рассеяние. Эффект Комптона. Рассеяние с изменением длины волны. Энергия расходуется на ионизацию, отрыв электрона от атома и сообщение ему кинетической энергии. При этом происходит увеличение длины волны и распространение её в веществе.

· Образование электрон-позитронных пар и вторичного β-излучения.

· Фотоядерная реакция. Выбивание нуклона из ядра с образованием лёгких изотопов.

2. Рентгеновское излучение

· Фотоэффект. Ионизация или возбуждение атомов при достаточной частоте излучения.

· Когерентное рассеяние

· Некогерентное рассеяние. Эффект Комптона.

3. α-излучение

· Ионизация или возбуждение атомов, зависящее от энергии излучения

· Захват электронов вещества и превращение в атом гелия

· Упругое взаимодействие с ядрами

· Рассеяние

4. β-излучение

· Ионизация или возбуждение атомов

· Возникновение тормозного рентгеновского излучения

· Аннигиляция с позитронами с образованием γ-излучения.

5. Нейтронное излучение

· Упругое рассеяние

· Неупругое рассеяние с передачей кинетической энергии ядру

· Радиационный захват ядром атома с образованием тяжёлого изотопа.

73. Действие ионизирующего излучения на биологические макромолекулы. Этапы радиационного повреждения макромолекул. Понятие о прямом и непрямом действии ионизирующего излучения. Характеристика прямого действия ионизирующего излучения.

Вторичные эффекты ионизирующего излучения проявляются на уровне макромолекул. Основные вторичные эффекты это:

1. Увеличение скорости теплового молекулярного движения.

2. Характеристическое рентгеновское излучение. При выбивании электронов с внутренних энергетических уровней происходит заполнение этих уровней с внешних энергетических уровней, что сопровождается испусканием рентгеновского излучения.

3. Люминесценция – свечение вследствие перехода электронов с возбуждённых уровней на основные.

4. Химические реакции, обусловленные переходом атомов в возбуждённое состояние с преодолением активационных барьеров реакций.

Действие ионизирующего излучение проявляется в несколько этапов.

1. Физическая стадия.

Энергия излучения передаётся веществу, в нём возникают ионизированные и возбуждённые молекулы, неравномерно распределённые в объёме вещества. Эти эффекты проявляются в первые 10-16-10-13с.

2. Физико-химическая стадия.

Эта стадия представлена различными реакциями, приводящими к перераспределению энергии между молекулами. В результате образуются активные молекулярные элементы: ионы, радикалы, сольватированные электроны. 10-13-10-6с.

3. Химическая стадия.

Радикалы взаимодействуют, образуя повреждения разного рода, что приводит к инактивации или нарушению функций макромолекул. 10-6-10-3с.

Различают два механизма радиационного повреждения макромолекул:

Прямой: Когда инактивированными оказываются молекулы непосредственно поглотившие энергию излучения.

Непрямой: Когда молекулы инактивируются в результате взаимодействия с активными реакционноспособными продуктами радиационного воздействия.

Прямое действие ионизирующего излучения исследуют при облучении сухих очищенных препаратов макромолекул. Прямое действие на ДНК выражается в одноцепочечных и двухцепочечных разрывах, межмолекулярных поперечных сшивках нуклеотидов и образовании разветвлённых цепей ДНК. Прямое действие на белки связано с изменением аминокислотного состава, нарушением третичной структуры, с разрывами АК цепей, разрывами дисульфидных связей, агрегацией молекул. Инактивация белка происходит при повреждении только определённых его групп, но его инактивация происходит даже при поглощении одного кванта излучения молекулой. Этот эффект связан с миграцией энергии в белках от места поглощения к месту проявления эффекта.

74. Действие ионизирующего излучения на биологические макромолекулы. Этапы радиационного повреждения макромолекул. Понятие о прямом и непрямом действии ионизирующего излучения. Характеристика непрямого действия ионизирующего излучения.

Увеличение скорости теплового молекулярного движения.

Характеристическое рентгеновское излучение. При выбивании электронов с внутренних энергетических уровней происходит заполнение этих уровней с внешних энергетических уровней, что сопровождается испусканием рентгеновского излучения.

Люминесценция – свечение вследствие перехода электронов с возбуждённых уровней на основные.

Химические реакции, обусловленные переходом атомов в возбуждённое состояние с преодолением активационных барьеров реакций.

Действие ионизирующего излучение проявляется в несколько этапов.

1. Физическая стадия.

2. Физико-химическая стадия.

3. Химическая стадия.

Различают два механизма радиационного повреждения макромолекул:

Прямой: Когда инактивированными оказываются молекулы непосредственно поглотившие энергию излучения.

Непрямое действие при облучении растворов биологических веществ. При этом непрямой эффект излучения проявляется значительно сильнее, чем прямой. Радиочувствительность при разбавлении возрастает в 100 раз. Повреждение органических молекул в растворе в большой мере связано с продуктами радиолиза воды. Поскольку в растворе молекул воды значительно больше, чем растворённых веществ, вероятность поглощения излучения ими значительно больше.

В процессе прохождения частицы через воду вдоль её пути образуются возбуждённые производные воды: радикал протона, гидроксирадикал, сольватированные электроны, ион гидроксония. Часть образующихся радикалов рекомбинируют с образованием нейтральных продуктов или перекиси, но часть радикалов может взаимодействовать с растворёнными органическими молекулами. В результате образуются свободные органические радикалы, которые могут вступать в дальнейшие реакции, часто имеющие цепной характер.

75. Действие ионизирующего излучения на биологические макромолекулы. Механизмы радиационного повреждения макромолекул. Модификация радиочувствительности.

Различают два механизма радиационного повреждения макромолекул:

Прямой: Когда инактивированными оказываются молекулы непосредственно поглотившие энергию излучения.

Прямое действие ионизирующего излучения

исследуют при облучении сухих очищенных препаратов макромолекул. Прямое действие на ДНК выражается в одноцепочечных и двухцепочечных разрывах, межмолекулярных поперечных сшивках нуклеотидов и образовании разветвлённых цепей ДНК. Прямое действие на белки связано с изменением аминокислотного состава, нарушением третичной структуры, с разрывами АК цепей, разрывами дисульфидных связей, агрегацией молекул. Инактивация белка происходит при повреждении только определённых его групп, но его инактивация происходит даже при поглощении одного кванта излучения молекулой. Этот эффект связан с миграцией энергии в белках от места поглощения к месту проявления эффекта.

Непрямое действие при облучении растворов биологических веществ.

При этом непрямой эффект излучения проявляется значительно сильнее, чем прямой. Радиочувствительность при разбавлении возрастает в 100 раз. Повреждение органических молекул в растворе в большой мере связано с продуктами радиолиза воды. Поскольку в растворе молекул воды значительно больше, чем растворённых веществ, вероятность поглощения излучения ими значительно больше.

Изменение условий часто выражается в изменении радиочувствительности, модификации радиочувствительности.

1. Эффект разбавления. Понижение концентрации раствора макромолекул повышает выход инактивированных молекул. Этот эффект связан с непрямым механизмом действия излучения.

2. Кислородный эффект. С ростом концентрации кислорода усиливается радиочувствительность.

3. Температурный эффект. Чувствительность увеличивается с ростом температуры.

4. Эффект молекулярных примесей. Радиосенсибилизация и радиопротекция.

76. Действие ионизирующего излучения на клеточном уровне.

Действие ионизирующего излучения на клеточном уровне определяется степенью поражения отдельных компонентов клетки. Для большинства клеток летальная доза 1-100Грей. Это связано с усилением повреждающего действия излучения за счёт непрямого действия. Для проявления летального действия достаточно инактивации 0,1% молекул.

Критическими для клетки являются повреждение ДНК, ферментов и липидов мембран. Конечным эффектом является гибель клеток или мутационный процесс при повреждении ДНК.

Существует два типа гибели: интерфазная гибель и репродуктивная гибель.

Оба типа реализуются путём некроза или апоптоза. Некроз характерен при облучении высокими дозами. В этом случае образуются окислительные радиоизотопы, которые повышают проницаемость мембран и инактивируют ионные насосы. Это приводит к изменению осмотического давления и разрушению мембранных структур.

Апоптоз, или запрограммированная гибель, - это механизм избавления организма от функционально неполноценных клеток. Этот механизм является преобладающим при небольших дозах облучения и связан с активацией генов клеточной гибели. Происходит синтез комплекса ферментов, вызывающих активацию эндонуклеаз и разрушение ДНК.

Апоптоз запускается с рецепторов внешней мембраны, с рецепторов мембран митохондрий или при появлении большого числа структурных повреждений ДНК. Апоптоз свойственен биологическим структурам любого уровня.

Страницы: 1, 2