вопросы (Вопросы и ответы по биофизике), страница 5

Одним из характерных проявлений жизни является удивительная способность живых организмов кинетически регулировать химические реакции, подавляя стремление к достижению термодинамического равновесия. Ферментативная кинетика занимается исследованием закономерностей влияния химической природы реагирующих веществ (ферментов, субстратов) и условий их взаимодействия (концентрация, рН среды, температуры, присутствие активаторов или ингибиторов) на скорость ферментативной реакции. Главной целью изучения кинетики ферментативных реакций является получение информации, которая может способствовать выяснению молекулярного механизма действия фермента.

Общие принципы кинетики химических реакций применимы и к ферментативным реакциям. Известно, что любая химическая реакция характеризуется константой термодинамического равновесия. Она выражает состояние химического равновесия, достигаемого системой, и обозначается К_р. Так, для реакции:

константа равновесия равна произведению концентраций образующихся веществ, деленному на произведение концентрации исходных веществ. Значение константы равновесия обычно находят из соотношения констант скоростей прямой (k₊₁) и обратной (k_{– 1} ) реакций, т.е. К_p = k₊₁/k_–1. В состоянии равновесия скорость прямой реакции: v₊₁ = k _{+ 1}[ А ] • [ B ] равна скорости обратной реакции: v_–1 = k _{– 1} [ С ] • [ D ] , т. е. v₊₁ = v_–1 соответственно k₊₁[А]•[B] = k_–1[С]•[D], или

Изучая явление насыщения, Л. Михаэлис и М. Ментен разработали общую теорию ферментативной кинетики. Они исходили из предположения, что ферментативный процесс протекает в виде следующей химической реакции:

т.е. фермент Е вступает во взаимодействие с субстратом S с образованием промежуточного комплекса ES, который далее распадается на свободный фермент и продукт реакции Р. Математическая обработка на основе закона действующих масс дала возможность вывести уравнение, названное в честь авторов уравнением Михаэлиса–Ментен, выражающее количественное соотношение между концентрацией субстрата и скоростью ферментативной реакции:

где v – наблюдаемая скорость реакции при данной концентрации субстрата [S]; K_S– константа диссоциации фермент-субстратного комплекса, моль/л; V_max– максимальная скорость реакции при полном насыщении фермента субстратом.

Из уравнения Михаэлиса–Ментен следует, что при высокой концентрации субстрата и низком значении K_Sскорость реакции является максимальной, т.е. v = V_max. При низкой концентрации субстрата, напротив, скорость реакции оказывается пропорциональной концентрации субстрата в каждый данный момент (реакция первого порядка).

Скорость любой ферментативной реакции непосредственно зависит от концентрации фермента (рис. 4.19). Существующая линейная зависимость между этими величинами, когда скорость реакции прямо пропорциональна количеству присутствующего фермента, справедлива только в определенных условиях, например в начальный период ферментативной реакции, так как в этот период практически не происходит обратной реакции, а концентрация продукта оказывается недостаточной для обратимости реакции. Именно в этом случае скорость реакции (точнее, начальная скорость реакции v) будет пропорциональна концентрации фермента.

Рис. 4.19. Зависимость скорости реакции от концентрации фермента в присутствии насыщающих концентраций субстрата.

Как было отмечено, фермент является одной из реагирующих молекул в химической реакции и при взаимодействии с субстратом образует промежуточный фермент-субстратный комплекс, который далее подвергается распаду на продукт и свободный фермент:

Если упростить это уравнение, исключив промежуточный ES-комплекс:

то в уравнениях для скоростей прямой и обратной реакций обязательным компонентом является концентрация фермента:

Однако в уравнениях для константы равновесия (K_eqили К_р) концентрация фермента уже не имеет значения:

Как видно, константа равновесия (K_р) ферментативной реакции не зависит от концентрации фермента. Определяя скорость и направление химической реакции, фермент тем не менее не оказывает влияния на конечные (равновесные) концентрации реагирующих молекул и продуктов, определяющих величину константы равновесия.

Ферментативные процессы являются регулируемыми.

1. Конкурентное ингибирование – сродство с активным центром.

2. Неконкурентное ингибирование – аллостерическое.

3. Антиконкурентное ингибирование – ингибитор соединяется с (es) комплексом.

4. Смешанное ингибирование – по активному и аллостерическому центру.

5. Ингибирование избытком субстрата.

23. ДНК как основная внутриклеточная мишень при летальном действии ультрафиолетового света. Эффекты фоторепарации и фотозащиты.

ДНК — основная внутриклеточная мишень при летальном и мутагенном действии коротковолнового УФ-излучения. Основными хромофорами ДНК являются азотистые основания нуклеотидов, причем квантовые выходы фотопревращений пиримидиновых компонентов на порядок выше, чем пуриновых. Поглощение азотистыми основаниями квантов УФ-света приводит к образованию их электронно-возбужденных синглетных и триплетных состояний. Электронно-возбужденные состояния пиримидиновых оснований могут вступать в ряд фотохимических реакций, из которых биологически наиболее важны три реакции присоединения: димеризация, гидратация и образование сшивок с белком.

Фотозащита. Помимо фотоферментативного расщепления ДНК (процесс фотореактивации), уменьшить выход этих фотопродуктов в клетках можно с помощью другого фотобиологического процесса — фотозащиты. Защитный эффект заключается в том, что предварительное облучение клеток длинноволновым УФ-светом приводит к значительному уменьшению их чувствительности к летальному действию коротковолнового УФ-излучения. Недавно такой эффект обнаружен у ряда представителей дрожжевых организмов.

Характерная особенность фотозащитного эффекта заключается в том, что для его проявления необходим температурно-зависимый интервал времени между последовательными воздействиями на клетки длинноволнового и коротковолнового УФ-света. В этот интервал времени в клетках происходит фотоинду-цированное образование определенного соединения, идентифицированного как 5-окситриптамин, или серотонин. Согласно данным, полученным в опытах in vivo и в модельных экспериментах, защитное действие серотонина в процессе фотозащиты осуществляется в результате его связывания с ДНК и уменьшения выхода в ней УФ-индуцированных пиримидиновых димеров.

24. В чем сущность метода определения электроемкости при замыкании на сопротивление

Базовой величиной в электростатике является электроёмкость - физическая величина численно равная заряду, который надо сообщить телу для увеличения его потенциала на 1 Вольт, т.е. C=q/U. Измеряется С в фарадах (Ф=Кл/В). Для сферического тела его электроёмкость равна C=4πRεε₀, где r - радиус тела.

В технике и живой природе мы имеем дело с системой типа конденсатор, когда два заряженных тела (пространства) разделены диэлектриком. Для плоского конденсатора: C=Sεε₀4πd, где S- площадь пластин, d- толщина диэлектрика между пластинами. Заряженный конденсатор обладает энергией: W=CU²/2=q²/2C (измеряется в джоулях)

При параллельно соединении С заряды на обкладках конденсаторов складываются (q_об=q_i), но q=CU, значит q_об=q₁+q₂ или C_обU_об=C₁U₁+C₂U₂. Поскольку при параллельном соединении U_об=U₁=U₂, то имеем С_об=С₁+С₂. При последовательном соединении напряжения складываются, т.е. U_об=U₁+U₂ или . Тогда , т.к. при последовательном соединении q_об=q₁=q₂.

Последовательное соединение и эффект увеличения напряжения мы имеем в электрических органах отдельных рыб (электрический скат, сом, угорь), когда U может достигать 800-1000 В. Такое напряжение способно при разрядке создать ток, который парализует жертву.

Если с помощью переключателя П сначала подсоединить С к источнику U и зарядить обкладки конденсатора до напряжения U, а затем переключить на правую половину цепи, в правой цепи при разрядке конденсатора С пойдет убывающий ток I=I(t). При разрядке С убывает экспоненциально. Рассчитать этот закон легко с использованием закона Ома для правой цепи.

25. Колебательные процессы в биологии. Автоколебательные процессы.

Сейчас изучено большое количество колебательных систем в биологии: периодические биохимические реакции, колебания в гликолизе, периодические процессы фотосинтеза, колебания численности видов и т. д. Во всех этих процессах некоторые характеризующие систему величины изменяются периодически в силу свойств самой системы без периодического воздействия извне. Подобные системы относятся к классу автоколебательных.

Автоколебательными называются системы, в которых устанавливаются и поддерживаются незатухающие колебания за счет сил, зависящих от состояния самой системы, причем амплитуда этих колебаний определяется свойствами самой системы, а не начальными условиями.

Исследование уравнений, описывающих автоколебательные системы, показывает, что на фазовой плоскости стационарное решение такой системы представляется предельным циклом. Для понимания некоторых общих характеристик автоколебательных систем рассмотрим систему уравнений

dx/dt = P(x, у); dy/dt = Q(x, у).

Если Т(Т> 0) — наименьшее число, для которого при всяком x(t+T) = x(t); y(t+T) = y(t), то движение x = x(t); y=y(t) называется периодическим движением с периодом Т.

Периодическому движению соответствует замкнутая траектория на фазовой плоскости, и обратно: всякой замкнутой траектории соответствует бесконечное множество периодических движений, отличающихся друг от друга выбором начала отсчета времени. Если периодическому движению на фазовой плоскости соответствует изолированная замкнутая кривая, к которой с внешней и внутренней стороны приближаются (при возрастании t) соседние траектории по спиралям, то эта изолированная замкнутая траектория будет предельным циклом. Предельный цикл называется устойчивым, если существует такая область E на фазовой плоскости, содержащая этот предельный цикл, что все фазовые траектории, начинающиеся в окрестности E, асимптотически при too приближаются к предельному циклу.

1. Автоколебательные процессы устанавливаются за счёт явлений внутри системы.

2. Амплитуда автоколебаний зависит только от свойств самой системы.

3. АК процессы возможны только вдали от ТД равновесия.

4. Причиной АК процессов является наличие большого числа взаимодействующих элементов и обратных связей между ними.

5. АК процессы всегда устойчивы, отклонения всегда затухают.

6. В фазовом портрете системы АК процессу соответствует предельное множество – предельный цикл.

Предельный цикл является изолированной замкнутой траекторией в том смысле, что все фазовые траектории, проходящие в окрестности предельного цикла и не совпадающие с ним, не являются замкнутыми, а представляют собой спирали, «наматывающиеся» на предельный цикл или «сматывающиеся» с него. В этом основное отличие предельного цикла от бесконечного числа замкнутых фазовых траекторий, окружающих особую точку типа «центр», которая является в некотором смысле неустойчивой.

26. Структурная организация и функционирование фотосинтетических мембран.

Зрительный пигмент родопсин, так же как и бактериородопсин, — практически единственный белок в фоторецепторной мембране зрительной клетки сетчатки глаза (на его долю приходится до 80% всего белка в мембране).

Пурпурные мембраны, локализованные в цитоплазме клеток некоторых экстремально галофильных бактерий, содержат единственный гидрофобный пигмент — белковый комплекс бактериородопсин, молекулы которого располагаются в ПМ строго упорядоченно.