Курсовая работа 3 вариант (1065438), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Диапазон частот периодических процессов в биологических системах.

Рис. 1. Космофизические, геофизические и биологические ритмы. Справа – шкала периодов, слева – шкала частот

История открытия.

В середине 50-х годов 20 века мысль о возможности колебательных, периодических химических (биохимических) реакций казалась очень странной. Казалось, что это допущение противоречит термодинамике. В равновесии такое невозможно. Но колебательные процессы осуществляются лишь до тех пор, пока системы неравновесны, пока не израсходован их термодинамический потенциал. Эти сомнения были основаны на недоразумении. Пока концентрации реагентов неравновесны, колебательные режимы вполне возможны. Но это простое соображение долго не осознавалось даже очень образованными людьми. Поэтому, когда работавший в секретном учреждении военный химик генерал Борис Павлович Белоусов послал в 1951 году в редакцию статью с описанием открытой им периодической реакции, статью ему вернули с обидной рецензией: «такого не может быть!».

Реакция: в растворе серной кислоты малоновая, лимонная, яблочная кислоты окисляются в реакции с KBrO₃ в присутствии катализатора – ионов церия (или марганца, или железа). Цвет раствора (если для большей наглядности добавить комплекс железа и фенантролина) периодически изменяется – от ярко-синего до красно-лилового и обратно. Но рецензенты были настолько убеждены, что этого быть не может, что не захотели поставить несложный опыт.

Позже изучение этой реакции было продолжено Жаботинским (1964). Механизм реакции весьма сложен с химической точки зрения и содержит десятки промежуточных стадий. Упрощенная схема реакции представлена на рис. 2.

Рис.2. Схема реакции Белоусова-Жаботинского.

Можно выделить несколько основных стадий, которые определяют колебательный характер реакции.

1) окисление трехвалентного церия броматом:

2) восстановление четырехвалентного церия малоновой кислотой:

К тому времени математическая теория колебательных реакций была уже создана (в 1910 году Альфредом Лоткой). У нас в стране выдающиеся физики Л.И. Мандельштам, А.А. Андронов и их последователи создали общую теорию колебаний. Д.А. Франк-Каменецкий и И.Е. Сальников открыли и описали колебательные процессы в реакторах, когда происходят не только химические превращения, но и диффузия и передача тепла на стенках реактора. Все это могло служить моделями внутриклеточных колебательных процессов. Оставалось «немногое» – найти их в клетках.

Сообщения об открытии биохимических колебательных процессов начали появляться с конца 50-х. Однако первый бесспорно периодический биохимический процесс открыл выдающийся американский биохимик Бриттен Чанс. Во всех клетках превращения энергии связаны с синтезом и гидролизом АТФ. Самый распространенный процесс, в котором в темноте и без кислорода образуется АТФ, это гликолиз – расщепление молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты или на две молекулы этилового спирта и две молекулы СО₂ (и тогда этот процесс называется «брожение»). Гликолиз – это последовательность многих реакций, каждая из которых катализируется своим ферментом. Центральная реакция гликолиза (в ней фруктозо-6-фосфат превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат) катализируется ферментом фосфофруктозокиназой. В этой реакции были обнаружены колебания скорости. Следовательно, и синтез АТФ должен был осуществляться с колебаниями скорости, то быстрее, то медленнее.

Автоматическое регулирование параметров периодических процессов в биологических системах.

Часы идут в полном покое, когда энергия почти не расходуется, также как и при активной жизнедеятельности. Пчел на зиму укрывают от морозов и света, они цепенеют в своих темных ульях. А часы у них «идут» всю зиму, и весной пчелы правильно определяют время суток, что необходимо им для правильного выбора направления полета к цветущим растениям за «взятком». Охлаждаются и цепенеют при температуре, близкой к 0С, повисшие вниз головой в темных пещерах летучие мыши. Проходит много месяцев до теплых летних ночей (все это время у них правильно идут часы), и в нужное время они вылетают на ловлю ночных насекомых. Не сбиваются с нужной фазы и околосуточные периодические процессы у растений, помещенных на много недель в темноту при постоянной температуре. Внешне нет никаких проявлений хода часов, движения «стрелок» не видно. Но дайте краткую вспышку света, и окажется, что все это время часы правильно отсчитывали время: у фасоли листья будут опускаться или подниматься так же, как и у контрольных растений, бывших при нормальной смене дня и ночи (это упрощенная картина).

Часы идут даже при почти полной остановке метаболических процессов. В этих исследованиях важные результаты дает применение различных ядов – ингибиторов биохимических процессов. Я уже упоминала морской одноклеточный организм Gonyaulax. Он светится ночью, следуя своим внутриклеточным часам. Всем известная зеленая эвглена, наоборот, ночью неактивна. Днем она активно плывет в сторону большей освещенности, проявляет положительный фототаксис. Свет необходим ей для фотосинтеза. Ночью, если направить на сосуд с эвгленами узкий луч света, они на него не реагируют, фототаксиса не проявляют. Наступление дня и ночи зеленая эвглена определяет по своим внутренним часам. Если добавить в воду, где живут эти организмы, метаболические яды, останавливающие дыхание и гликолиз, жизнедеятельность их замирает, эвглены перестают двигаться, гониаулаксы не могут генерировать свет. Если перенести их в свежую среду, отмыть яды, жизнедеятельность восстанавливается. И оказывается, что все это время их часы шли вполне правильно, как будто бы клетки и не отравляли, после отмывания ядов они вовремя начинают испускать свет и вовремя проявлять способность к фототаксису. Но если добавить в воду яды, отравляющие процессы считывания генетической информации, например, актиномицин Д, препятствующий функционированию РНК-полимеразы – синтезу мРНК по матрице ДНК, - часы сбиваются, ход их нарушается. Эти наблюдения сделаны более тридцати лет назад американским исследователем Гастингсом.

Существуют гены биологических часов.

Около 50 лет тому назад К. Питтендрич начал изучение периодичности в жизни дрозофил. У разных видов разная суточная активность. Дрозофилы одного вида активны в утренние часы, другие – в вечерние. Особенно четко суточная периодичность у них проявляется по времени массового вылупления взрослых мух из коконов. К. Питтендрич работал на разных объектах и создал замечательную школу исследователей. В его лаборатории и было впервые установлено существование у дрозофилы гена биологических часов. В определенных местах хромосом есть ген per, определяющий циркадную периодичность. Мутации этого гена приводят к наследуемым изменениям хода часов. Аналогичные гены были обнаружены у низшего гриба – нейроспоры и у крестоцветного растения арабидопсис.

Гены кодируют определенные белки. Следовательно, существуют per-белки, определяющие ход биологических часов. Нарушение синтеза этих белков под действием различных ингибиторов останавливает часы. Синтез per-белка осуществляется периодически; периодичность обусловлена тем, что по мере его синтеза по принципу обратной связи начинается торможение, ингибирование считывания – транскрипции гена. Как именно достигается эта периодичность, еще не ясно. Однако уже известно, что именно в этой системе регуляции транскрипции существуют звенья – вещества, чувствительные к свету. Именно они при даже очень коротком импульсе света корректируют фазу внутриклеточных часов. Еще не ясно, как белки, продукты этого гена, управляют жизнедеятельностью. Можно строить пока гипотетические схемы, связывающие образование в клетке этого белка и ритм, и амплитуду быстрых кальциевых колебаний. Но особенно важны успехи в выяснении, как казалось, самого трудного вопроса – температурной независимости часов. Как показано в работе группы авторов в 1995 году, per-белки обладают уникальными свойствами. Их аминокислотные цепи образуют петлю: складываются при взаимодействии аминокислот друг с другом. Но, кроме того, отдельные молекулы белка образуют димеры, соединяясь друг с другом. Процесс внутримолекулярного взаимодействия и процесс межмолекулярного взаимодействия в точности противоположным образом зависят от температуры. В результате повышение температуры приводит к уменьшению активности одного процесса и увеличению активности другого таким образом, что итоговая «активная поверхность» белка остается постоянной. И часы идут независимо от температуры. Здесь еще много всего должно быть и будет выяснено. Скоро мы будем понимать механизмы биологических часов. Залогом этого служат замечательные методические достижения современной экспериментальной биологии. Примером этих достижений могут служить также исследования циркадных часов у резуховидки (Арабидобсис) – растения, популярного в последние десятилетия у генетиков. Методами генной инженерии в геном этого растения «врезан», вставлен ген люцеферазы системы генерации света из жука-светляка. Такое растение начинает светиться. А интенсивность свечения управляется собственными генами – часами Арабидопсиса. Теперь можно изучать тонкости циркадных ритмов различных мутантов этого растения.

Взаимовлияние периодических процессов в биологических системах.

Часы в организме высших животных.

Во всех клетках есть свои часы. Но, как уже сказано выше, многоклеточный сложный организм может нормально существовать только при условии согласованности во времени всех его функций, то есть должны быть «центральные», «главные» часы, управляющие всеми остальными внутриклеточными часами. Относительно недавно было показано, что эти главные часы расположены в головном мозге в супрахиазменном ядре таламуса. К этим часам подходят нервные волокна от зрительного нерва, и с кровью приносятся различные гормоны и среди них, вероятно, наиболее важный для настройки часов гормон эпифиза – мелатонин. Эпифиз, бывший когда-то третьим глазом у древних рептилий, сохранил свои функции регуляции циркадных ритмов.

В клетках супрахиазменного ядра таламуса циркадная периодичность сохраняется и в опытах, когда эти структуры изолированы из организма. Это позволило выяснить многие особенности действия этих главных часов. С помощью волокон зрительного нерва и гормона мелатонина эти часы регулируются сменой светлого и темного времени, а среди сигналов, действующих на эти клетки, оказалась NO – окись азота. То, что NO – участник важных биохимических процессов, открыл около 30 лет тому назад А.Ф. Ванин (в Институте химической физики АН СССР). Сейчас пути образования в клетке этого, как казалось ранее, вполне чужеродного вещества, изучают во множестве лабораторий в разных странах. Становится понятным смысл употребления препаратов нитроглицерина при стенокардии: выясняется механизм расширения коронарных сосудов сердца. Обнаружена роль этого вещества в самых разных процессах. И вот в механизмах временной организации сложного организма NO также играет ключевую роль.

Модели колебательных процессов.

Брюсселятор.

Простейшим классическим примером существования автоколебаний в системе химических реакций является тримолекулярная модель «Брюсселятор», предложенная в Брюсселе Пригожиным и Лефевром (1965). Основной целью при изучении этой модели было установление качественных типов поведения, совместимых с фундаментальными законами химической и биологической кинетики.

В этом смысле брюсселятор играет роль базовой модели, такую же как гармонический осциллятор в физике, или модели Вольтерра в динамике популяций. Рассмотрим свойства брюсселятора как автоколебательной системы.

Брюсселятор содержит простейшую реализацию кубической нелинейности посредством химической реакции

2X + Y ® 3X (1)

Хотя тримолекулярная стадия в химической кинетике не столь распространена, как бимолекулярные процессы, выражения для скорости ряда биохимических реакций в определенных случаях можно свести к кубическому виду. В качестве примера приведем следующую последовательность ферментативных реакций:

X + E ® EX

EX + Y ® XY

EXY + X ® EX₂Y

Здесь предполагается, что фермент E имеет, по крайней мере, три каталитических центра, способных одновременно фиксировать две молекулы X и одну молекулу Y. Если образующиеся комплексы распадаются с достаточно большой скоростью, а ферменты присутствуют в небольших количествах, легко показать, что всю последовательность реакций можно свести к одной стадии, дающей нелинейный член типа X ²Y в выражении для скорости реакции.

Брюсселятор представляет собой следующую схему гипотетических химических реакций:

Характеристики

Список файлов домашнего задания