вопросы (Вопросы и ответы по биофизике), страница 6

ПМ в интактных клетках и в изолированных препаратах представляют собой дискообразные образования диаметром около 0,5 мкм и толщиной 5—6 нм. Бр расположен в ПМ симметричными группами по три молекулы, причем каждый такой тример стабилизирован 12—14 молекулами структурных липидов. Данные спектров кругового дихроизма в УФ-области свид-ют о высокой степени аспирализации белковой цепи Бр. Хромофор белка — ретиналь — содержится в белке в молярном соотношении 1:1, т. е. на каждую белковую цепь приходится один ретиналь.

Трехмерная структура молекулы Бр в ПМ расшифрована с помощью метода дифракции электронов. Одна молекула Бр содержит 7 аспиральных участков, пронизывающих ПМ. С помощью комплекса физико-химических и биохимических методов определено, что ретиналь ковалентно связан с опсином и образует связь с одним из остатков лизина в белковой цепи (так называемое шиффово основание).

Макромолекулы Бр гораздо менее подвижны, чем другие мембранные белки. Из темпер-ой зависимости спектров кругового дихроизма ПМ видно, что при температурах выше 30°С взаимодей-е мол-л Бр внутри триммеров практ-ки исч-т и в ПМ сущ-т мономерная форма Бр.

В модельных системах максимум поглощения шиффова основания в протонированной форме находится около 440 нм, в непротонированной — около 360 нм. Однако в Бр максимумы, соответствующие протонированной форме шиффова основания, расположены около 560—570 нм, а непротонированной — около 412 нм. Бр в ПМ может находиться в двух различных состояних: после адаптации к темноте или к свету. Эти состояния отличаются по спектрам поглощения Бр. Максимум полосы, поглощения Бр в образцах, адаптированных к темноте, расположен около 560 нм. После освещения максимум сдвигается до 570 нм. Изомеры Бр при возбуждении светом вовлекаются в различные циклы превращений. В темноте наблюдается медленный процесс релаксации части Бр до достижения темноадаптированного состояния.

27. Каковы основные электрокинетические явления в биологических объектах. Методы их регистрации и измерения. ξ - потенциал дрожжевых клеток.

Электрокинетические явления явления возникающие в сложных системах при движении дисперсных сред относительно дисперсионной (водные растворы белков и солей) среды возникают. Если наблюдается движение одной из фаз по отношению к другой под действием внешнего электрического поля, то эта группа явлений называется электроосмосом или электрофорезом. В частности, электрофорез - это движение дисперсной фазы по отношению к дисперсионной среде во внешнем электрическом поле, а электроосмос движение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы (в капиллярах, в пористых перегородках) под действием электрического поля.

Потенциал течения возникают в результате движения жидкости под действием гидростатического давления через капилляры или поры, стенки которых обладают электрическим зарядом. Это явление, обратное электроосмосу.

Потенциал седиментации возникают между верхними и нижними слоями гетерогенной системы при оседании (седиментации) частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести. Потенциал седиментации возникает, например, при стоянии крови. Форменные элементы (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты), удельный вес которых больше, чем плазмы, оседают на дно сосуда. Противоионы диффузионного слоя - катионы-отстают от движения форменных элементов. В результате этого нижние слои приобретают отрицательный заряд, а верхние-положительный.

В основе всех наблюдаемых явлений находится относительное движение ионных слоев и пространственное разделение зарядов (поляризация) в направлении движения фаз. Для электрокинетических явлений (ЭКЯ) характерно возникновение на границе фаз избыточных зарядов, которые образуют два противоположно заряженных слоя т.н. двойной электрический слой (ДЭС), в котором электрический потенциал изменяется скачком. Это явление имеет место во многих случаях. Заряд центральной частицы и ионной атмосферы всегда противоположен, поэтому под действием электрического поля на частицу и её атмосферу влияют силы противоположной направленности.

Механизм образования ДЭС в разных системах различен. Например, на поверхности металлов часть электронов несколько выходят за пределы решетки, состоящей из положительных ионов и ДЭС в этом случае вносит свой вклад в работу выхода электронов из металла. Если металл поместить в электролит, содержащие ионы этого металла, то образуется дополнительный ионный ДЭС возникающий в результате ориентации полярных молекул растворителя (например, Н₂О) у поверхности металла.

Двойной электрический слой может образоваться и на поверхности биологических мембран (БМ).

Наружные полярные (гидрофильные) молекулы создают на поверхности БМ некоторый заряд (преимущественно отрицательный), который препятствует их слипанию, а в самой БМ возникает межфазный скачек потенциала того же знака, что и заряд на мембране. Поверхностная концентрация одновалентных заряженных групп s (измеряется кмоль/м²) связана с межфазным потенциалом уравнением Гуи – Чепмена

где R- газовая постоянная, N_А- число Авогадро, F- число Фарадея, С- молярная концентрация одновалентного электролита в среде (KСl или NaCl), e- относительная диэлектрическая проницаемость, `j- потенциал в безразмерной форме ( ). Естественно, что заряд на БМ из электролита притягивает ионы противоположного знака, что приводит к образованию ДЭС.

В реально функционирующей БМ существует ассиметрия распределения ионов внутренней среды за счет активного и пассивного транспорта ионов и картина выглядит значительно сложней. В простейшем случае распределение потенциалов вблизи мембраны по обе стороны от нее имеет вид рис.6., т.е. для БМ характерны скачки потенциалов, причем по мере удаления от границы раздела потенциал уменьшается по экспоненте

где x- координата точки пространства, а L_D- радиус экранировки Дебая.

Таким образом, возникающий в биологических объектах и в любых других дисперсных системах Д.Э.С. приводит к возникновению потенциала на поверхности раздела фаз - x-потенциала, который можно зарегистрировать и величина его будет зависеть как от свойств среды, так и от функционального состояния биологических объектов.

В лабораторной работе определялась величина x- потенциала дрожжевых клеток имеющих сферическую форму, движущихся под действием внешнего электрического поля (электрофорез).

Величина потенциала на поверхности дрожжевой клетки, которую мы будем называть x- потенциалом определится по формуле

(5).

Подставляя вместо h=10^-2 и e=81 для воды p=3,14 и, переводя все единицы измерения в СИ, будем иметь расчетную формулу

(6).

Иногда вместо пишут , где `v называется электрофоретической скоростью или подвижностью. Легко видеть, что подвижность частицы есть отношение ее линейной скорости v к градиенту потенциала электрического поля. Поэтому (6) можно записывать в виде

(7).

Зная x-потенциал и радиус частицы можно определить поверхностную плотность зарядов , где q=jer(СГС), а S- площадь сфероида (S=4pr²). Эта величина зависит от свойств биологической мембраны и может меняться при изменении функционального состояния организма (патология) или условий внешней среды, например, действие радиации.

28. Модели экологических систем.

Модель - объект любой природы, кот воспроизводит явление, процесс или сис-у с целью их исследования или изучения. Метод исследования явлений, исс-я процессов и сис-м, осованный на построении и изучении их моделей, наз-ся моделированием. Геометрические модели - внешнее копирование оригинала. Муляжи, используемые в преподовании анатомии, физиоологии, биологии. Создание биологических моделей основано на воспроизведении в лаб условиях определенных состояний (заболевания подопытных жив). В эксперименте изучаются механизмы возникновения состояния, его течение, способы воздействия на организм. Создание физических и физико-хим моделей основано на воспоизведении физ и хим способами биологических структур, функций или процессов (модель роста живой кл). важным является модеоирование ф-х условий обитания отдельных клеток, органов или всего организма. Созданные искусственно рас-ры имитируют среду.

Модели отдельной популяции. Популяция не взаимод-т с др видами, находящимися с ней. Увеличение численности зависит от скорости разм-я популяции для бесполого разм-я. Для разнополовой популяции скорость разм-я определяется числом встреч самцов и самок. Экологи наблюдают вымирание популяции, если чис-ть ее опускается ниже критической величины. Популяция голубых китов обречена на вымирание, т. к. ее плотность ниже крит вел-ы. И это не смотря на то, что отдельные виды встречаются в мировом океане, а охота на них запрещена.

Модели взаимодействия видов. Они могут быть трех типов: 1) конкуренция видов, ведущая к уменьшению численности обоих видов; 2) взаимодействие типа хищник-жертва, когда увеличение численности хищника (или паразита) происходит за счет уменьшения числ-и жертвы (или хозяина); 3) симбиоз, ведущий к увеличению обоих видов.

Модель популяционного взрыва

XN=XS+AXSDT

Модель распространения эпидемии в популяции

Модель «хищник-жертва»

29. Основные стадии фотобиологического процесса Механизмы фотобиологических и фотохимических стадий.

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.

1. 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.

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

Процесс фотосинтеза вкл: фотофизический, фотохимический (световой), ферментативный (темновой). По современным данным, хлорофилл направляет поглощенную им энергию солнечного луча не на молекулу углекислого газа, а на молекулу воды. Происходит окисление воды, водород присоединяется к хлорофиллу, а часть кислорода выделяется в атмосферу. Процесс окисления воды получил название фотоокисления, так как он идет за счет световой энергии. Углекислый газ присоединяется к органическому соединению (акцептору) с образованием карбоксильной группы СООН. Затем уже происходит темновая реакция восстановления карбоксильной группы водородом RCOOH + 4Н = RCH2OH + Н2О Восстановленная водородом углекислота образует фосфо-глицериновую кислоту, триозы, а затем гексозы (глюкоза и др.). Конечным продуктом является крахмал. У некоторых растений в процессе фотосинтеза образуется не крахмал, а только сахар, например у лука.

Фотохимические реакции фотосинтеза — это реакции, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, и в пер­вую очередь в энергию фосфорных связей АТФ. Именно АТФ яв­ляется энергетической валютой клетки, обеспечивающей течение всех процессов. Одновременно под действием света происходит разложе­ние воды, образуется восстановленный НАДФ и выделяется, кисло­род. Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов светособирающий комплекс к одной, характеризующейся поглощением в наиболее длинноволновой части солнечного спектра. Молекула хлорофилла-ловушки, отдавая электрон акцептору, окисляется. Электрон посту­пает в электронно-транспортную цепь. Предполагается, что светособирающий комплекс состоит из трех частей: главного антенного компонента и двух фо­кусирующих, расположенных в двух фотосистемах. Комп­лекс антенного хлорофилла погружен в толщу мембраны тилакоидов хлоропластов. Совокупность светофокусирующих (антенных) молекул пигмен­тов и реакционного центра составляет фотосистему. По-видимому, свет поглощается раз­дельно этими двумя фотосистемами и нормальное осуществление фото­синтеза требует их одновременного участия. При циклическом потоке электроны, переданные от молекулы хлорофилла первичному акцептору, возвращаются к ней обратно. При нециклическом потоке происходит фотоокисление воды и передача электрона от воды к НАДФ. Соответственно двум типам потока электронов различают циклическое и нециклическое фотофосфорилирование. При нециклическом потоке электронов принимают участие две фотосистемы. Отличительными особенностями нециклического фотосинтетического фосфорилирования являются: 1) окисление двух молекул воды, происходящее в результате воздействия h света, которые улавливаются двумя фотосистемами; 2) передача электро­нов от молекул воды через электронно-транспортную цепь на НАДФ. Нециклическое и циклическое фотосинтетическое фосфорилиро» вание принято включать в световую фазу фотосинтеза, однако свет необходим только на первых этапах этих процессов.