Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» Гомель уо «ггу им. Ф. Скорины» 2010

Министерство образования республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины»

Н. А. АЛЕШКЕВИЧ, Д. Л. Коваленко, В.Е. Гайшун

Физика биосистем

ТЕКСТЫ лекций

для студентов специальности 1 – 31 04 01- 02 «Физика

(научно-производственная деятельность)»

Гомель

УО «ГГУ им. Ф. Скорины»

2010

УДК 006.91(075.8)

ББК 30.10я73.

7А 497

Рецензенты:

кафедра оптики учреждения образования

«Гомельский государственный университет имени Франциска

Скорины»
Рекомендовано к изданию научно – методическим советом учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Алешкевич, Н. А.

А 497 Физика биосистем: тексты лекций по курсу «Физика биосистем»

для студентов специальности 1-31 04 01- 02 «Физика (научно-

производственная деятельность)» Н. А. Алешкевич,

Д. Л. Коваленко, В.Е. Гайшун; М-во обр. РБ,

Гомельский государственный университет им. Ф, Скорины. –

Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2009. – 115 с.

Тексты лекций по курсу «Физика биосистем» призваны оказать помощь студентам в овладении теоретическими вопросами биофизики изучить возможности использования разнообразных физических и физико-химических методов анализа для исследования строения и свойств объектов живой природы может быть полезно инженерам и научным работникам, занимающихся изучением объектов живой природы.

УДК 006.91(075.8)

ББК 30.10я73

© Алешкевич Н. А.,

Коваленко Д. Л.

В.Е Гайшун, 2010

Введение ………………………………….…………………………..….	4
Лекция 1 Предмет физики живых систем. Структура и свойства воды……………………………………………………………	5
Лекция 2 Межмолекулярные и внутримолекулярные взаимодействия……………………………………………….	15
Лекция 3 Строение, функции и свойства клеток………………………	26
Лекция 4 Структура, свойства и функции белков. Физика ферментов……………………………………………………..	39
Лекция 5 Строение, функции и свойства нуклеиновых кислот………	50
Лекция 6 Строение и свойства углеводов. Липиды и липидные структуры………………………………………………………	59
Лекция 7 Строение и физические свойства мембран клеток………….	74
Лекция 8 Применение термодинамики в биологии…………………….	84
Лекция 9 Преобразование энергии в биосистемах…………………….	105
Лекция 10 Транспорт веществ в клетках………………………………..	114
Лекция 11 Внутриклеточная сигнализация……………….…………….	123
Лекция 12 Ультразвук в биологических средах ………………………..	130
Лекция 13 Свойство лазерного излучения и его применение …………	140
Литература………………………………………………………………….	148

Введение
Физика биосистем изучает физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации используя современные физические и физико-химические методы. Возникновение биофизики вообще произошло, как прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология. Живые организмы – открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, важнейшими функциональными веществами в которой являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярного строения.

Задачами курса являются:

раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических основ жизни.
выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополимеров и других биологически активных веществ.
создание и теоретическое обоснование физико-химические методов исследования биообъектов.
физическое истолкование обширного комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.)

Изучение термодинамики биологических процессов позволяет оценить энергетические изменения, происходящие в результате биохимических реакций; рассчитать энергию разрыва конкретных химических связей; рассчитать осмотическое давление по обе стороны полупроницаемой мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в растворе на растворимость макромолекул. Применяется для описания процессов, протекающих в электрохимических ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле. Система – совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур или процессов, объединяющихся в целое выполнением некоторой общей функции, несводимой к функциям ее компонентов. Термодинамическая система – часть пространства с материальным содержимым, ограниченная оболочкой.

Лекция 1 Предмет физики живых систем. Структура и свойства воды

1.1 Функциональные особенности биосистем

1.2 Состав и структура воды

1.3 Физические свойства воды, их аномальность.

1.1 Функциональные особенности биосистем
Как уже говорилось, биосистемы  динамические открытые системы, условием существования которых служит обмен веществом, энергией и информацией как между подсистемами, так и с окружающей средой. Этот обмен контролируется механизмами саморегуляции, хранения и передачи генетической информации. Биосистемы находятся в стационарных состояниях, обеспечивающих постоянство внутренних характеристик на фоне нестабильной или изменяющейся внешней среды. Механизмы их саморегуляции обеспечивают возможность перехода системы из одного стационарного состояния в другое (свойство неустойчивости стационарных состояний). Множественность стационарных состояний биосистем обеспечивает возможность автономных (независимых от изменения внешних условий) переходов между ними. Иногда новое состояние может быть автоколебательным, когда значения ряда параметров системы периодически изменяются по величине во времени.

Саморегуляция биосистем обеспечивается отрицательной или положительной обратной связи. В цепи саморегуляции с отрицательной обратной связью отклонение некоторого параметра от нормы индуцирует процессы, компенсирующие это отклонение. Такая саморегуляция может осуществляться на разных уровнях иерархии (например, на молекулярном – ингибирование или подавление синтеза ферментов, на клеточном – гормональная регуляция и контактное угнетение, на уровне организма – гомеостаз, обеспечивающий стабильность внутренней среды организма). В цепи саморегуляции с положительной обратной связью воздействие на регулируемый объект вызывает изменение параметра, совпадающее по знаку с его первоначальным отклонением. В результате система переходит из одного стационарного состояния в другое. Саморегуляция биосистем обеспечивает их метаболизм, гомеостаз, адаптацию к внешним условиям, эволюцию, перемещение и другие функции.

Метаболизм в узком смысле – внутриклеточное превращение вещества с момента его поступления до образования конечных продуктов . Метаболизм в широком смысле (физиологический метаболизм)  совокупность обменных процессов, обеспечивающих жизнь организма на физиологическом уровне. Это усвоение питательных веществ и микроэлементов, построение из них тела организма (анаболизм) и распад в нем (катаболизм). Интенсивность и направленность метаболизма обеспечивается механизмами регуляции химических реакций (синтеза и распада), ферментативной активностью, а также изменением проницаемости биологических мембран. Различают конструктивный, основной, энергетический и информационный метаболизм. Конструктивный метаболизм – использование вещества и энергии при росте и развитии организма, основной метаболизм предполагает использование вещества и энергии для поддержания физиологических функций организма в состоянии покоя, энергетический метаболизм – использование вещества и энергии в ходе активной жизнедеятельности организма. Информационный обмен  соответствующее построение, передача и прием информационных управляющих сигналов, является основой саморегуляции в живом организме.

Основной структурно-функциональной единицей живого организма является клетка, и значимые для биообъекта изменения начинаются и заканчиваются на клеточном уровне. Одной из подсистем клетки являются биомакромолекулы. В свою очередь биомакромолекулы являются полупроводниками или диэлектриками и обладают дипольными моментами. Внутренние процессы в клетке изменяют ее “электрический статус”, обуславливая возможность информационного обмена. Внутренний информационный обмен в биообъекте связан с функционированием двух каналов  биохимического и физического. Последний связан с генерацией электромагнитных и акустических полей. Являясь открытой, биосистема взаимодействует с внешними силовыми полями. Эти экзогенные воздействия воспринимаются биосистемой и входят в круговорот информационного метаболизма. Если учесть, что биосистема имеет все необходимое для регенерации, то процессы ее деградации и возникновения патологических состояний можно напрямую связать с потерей биосистемой информации, необходимой для формирования номинальных сигналов управления.

Применительно к высшим уровням иерархии биологических систем можно говорить об информационном метаболизме как процессе усвоения, обработки и передачи информации психикой человека. Информация воспринимается человеческой психикой, усваивается, накапливается, хранится, преобразуется и частично выводится во внешний мир, обеспечивая взаимодействие человека с окружающей средой, а часть ее остается внутри человека и составляет его внутренний мир.

Одно из проявлений саморегуляции биосистемы – устойчивость или иначе гомеостаз – способность биосистем противостоять изменениям окружающей среды и сохранять относительное постоянство состава и свойств. Гомеостаз имеет место на различных уровнях биологической организации. Процессы саморегулирования, обеспечивающие постоянство концентрации осмотически активных веществ, белков, липидов и углеводов, стабилизацию объема, ионного состава и рН жидкостей внутренней среды биосистемы и т.д. получили название физиологического гомеостаза. На тканевом уровне в поддержании гомеостаза участвуют тканевые жидкости, в том числе кровь и лимфа. У растительных организмов в поддержании гомеостаза участвуют плазмодесмы, цитоплазматические нити, соединяющие соседние растительные клетки, которые регулируют межклеточные потоки углеводов и других субстратов. Способность популяции поддерживать относительную стабильность структуры генотипа в изменяющихся условиях внешней среды называется генетическим или популяционным гомеостазом. Способность данного генотипа создавать определенный фенотип (совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся в процессе его индивидуального развития) в широком диапазоне внешних условий – гомеостаз развития.

Другое проявление саморегуляции биосистемы – адаптация  процесс приспособления организмов к определенным условиям внешней среды. Различают три основных этапа (типа) адаптивного отклика биосистем. Первый этап  непосредственный отклик, связанный с прямым воздействием на процессы метаболизма либо со стимуляцией чувствительных элементов системы. Второй этап  физиологическая адаптация или акклимация, связанная с изменения в поведении, гормональном статусе, интенсивности размножения, миграциях и т.д. Степень данного типа адаптации зависит от генотипа биосистемы. Другой тип саморегуляции физиологического состояния предполагает спорообразование, высыхание, преждевременное старение, спячка, изменение половой активности и др. Третий этап  отбор требуемых генетических вариантов. Его продолжительность охватывает время жизни нескольких поколений. Пределом адаптации является порог экологической устойчивости биосистем. Его превышение приводит к патологии и необратимому разрушению любых биосистем вплоть до биосферы.

Самовоспроизведение  способность образовывать себе подобное, является одной из основных характеристик биосистем. Самовоспроизведение свойственно как целым организмам, так и отдельным органам, тканям, клеткам, клеточным включениям и многим органеллам. Оно осуществляется путем деления, вегетативного, полового и бесполого размножения. Характерная особенность самовоспроизведения  наследственность  присущее всем организмам свойство повторять в ряду поколений одинаковые признаки и особенности развития. Наследственность обусловлена передачей в процессе самовоспроизведения (размножения) от одного поколения к другому специфических структур, содержащих программы развития из них новых систем. Она обеспечивает преемственность морфологической, физиологической и биохимической организации системы, характера ее развития (онтогенеза).

Развитие биосистемы  ее направленное, необратимое и закономерное изменение во времени, в результате которого возникает новое качественное состояние, выражающееся в изменении состава и (или) структуры. Т.е., это возникновение, трансформация или исчезновение элементов и связей биосистемы. Как открытые системы, биосистемы имеют свои специфические законы и правила развития:

принцип стабильности: любая относительно замкнутая биосистема с проходящим через неё потоком энергии в ходе саморегуляции развивается в сторону устойчивого состояния. Этот характерно для биосистем любого уровня иерархии, до биосферы в целом;
принцип максимума эффекта внешней работы (закон саморазвития биосистем или закон исторического развития биологических систем Э. Бауэра): развитие биологических систем есть результат увеличения их внешней работы т.е. воздействия на окружающую среду);
правило максимального “давления жизни”: биосистемы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. “Давление жизни” лимитировано емкостью среды жизни и рядом других закономерностей системного мира: законом ограниченного роста, правилами взаимоприспособленности, внутренней непротиворечивости, соответствия среды генетической предопределенности организма и др.;
правило эквивалентности в развитии (Л. фон Берталамфи): биосистемы способны достигнуть конечной стадии развития вне зависимости от степени нарушения начальных условий своего развития. Это происходит лишь при сохранении необходимого минимума внешних и внутренних условий существования биосистемы.

Процесс индивидуального развития организма (совокупность последовательных биохимических, физиологических и морфологических преобразований, претерпеваемых организмом от момента его зарождения до конца жизни) получил название онтогенез. Он проявляется в увеличении массы и размеров тела и онтогенетической дифференциации (дифференцировке)  возникновении различий между однородными клетками и тканями и их изменении в ходе развития, приводящие к специализации. Специализация проявляется в выработке у организмов максимальных приспособлений для жизни в менее разнообразных, по сравнению с предками, условиях окружающей среды и снижении конкуренции с другими видами.

С понятием “развитие биосистемы” тесно связано понятие эволюции  необратимого и направленного исторического развития живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптационных механизмов, образованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом. Эволюция предполагает развитие из одной формы биосистемы (простейшей, зародышевой) другой, более сложной и совершенной, которому подчинены все состояния и формы биосистем. Для эволюции, как типа развития биосистем, характерно правило ускорения: с ростом сложности организации биосистемы продолжительность ее существования в среднем сокращается, а темпы эволюции возрастают.

1.2 Состав и структура воды
Вода в нашей жизни - самое обычное и самое распространенное вещество. Однако с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй, только жидкий гелий может соперничать с ней. Но необычные свойства жидкого гелия (такие, как сверхтекучесть) проявляются при очень низких температурах (вблизи абсолютного нуля) и обусловлены специфическими квантовыми законами. Поэтому жидкий гелий - это экзотическое вещество. Вода же в нашем сознании является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной. Но в чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, то есть ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давления и других факторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение похоже и может быть объяснено из самых общих физических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся, например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты).Вода имеет первостепенное значение при большинстве химических реакций, в частности и биохимических. Древнее положение алхимиков – «тела не действуют, пока не растворены» – в значительной степени справедливо. Человек и животные могут в своем организме синтезировать первичную ("ювенильную") воду, образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. У верблюда, например, жир содержащийся в горбу, может путем окисления дать 40 л воды. Связь между водой и жизнью столь велика, что даже позволила В. И. Вернадскому «рассматривать жизнь, как особую коллоидальную водную систему... как особое царство природных вод». Вода – вещество привычное и необычное. Известный советский ученый академик И.В.Петрянов свою научно – популярную книгу о воде назвал “Самое необыкновенное вещество в мире”. А доктор биологических наук Б.Ф.Сергеев начал свою книгу “Занимательная физиология” с главы о воде – “Вещество, которое создало нашу планету”. Ученые правы: нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.

Почти ¾ поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле, равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров приходится на долю солёных вод Мирового океана, и только 35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар слоем более 2,5 километров. На каждого жителя Земли приблизительно приходится 0,33 кубических километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной воды. Но трудность в том, что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии, которое делает её труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод.

Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.

следующая страница >>