Лекции Погосяна одним файлом (1123231), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Карбиды, бориды и другие очень твёрдые веществахарактеризуются небольшой ЭнтропияУпорядоченность построения многоклеточного•организмаТело человека содержит примерно 1013 клеток. Допустим, что среди нихнет ни одной пары одинаковых и что ни одну пару нельзя поменятьместами без нарушения функционирования организма. Это значит, чтоотносительное расположение клеток в теле человека однозначно.• I = log2(1013) = 1013log21013 = 4 • 1014 бит• понижение энтропии строения организма человека из клетокδS = 2,3 • 10-24• 4 • 1014 = 10-9 эе (соответствуют энергии испарения 10-9г воды)• Для создания единственной аминокислотной последовательностибелков организма человека необходимо 1026 бит.• Для ДНК необходимо 4,3 • 1023 бит.• Упорядоченность этих веществ изменяют энтропию на 300 эе, чтосоответствует испарению 170 г воды.• Ценность биологической информации определяетсявозможностью ее запоминания, хранения,переработки и дальнейшей передачи дляЛекция 6• Физический смысл электрохимического потенциала заключается в том, что его изменение равно работе, которую необходимо затратить, чтобы: • а) синтезировать 1 моль вещества (состояние 2) из исходных веществ (состояние 1) и поместить его в растворитель (слагаемое μ02 − μ01). • б) изменить концентрацию раствора с С1 до С2 (слагаемое RTln (C2/C1).• в) преодолеть силы электрического отталкивания, возникающие при наличии разности потенциалов (φ2‐φ1) между растворами (слагаемое zF (φ2‐φ1)), • где z – заряд иона, F – число Фарадея 9,65*104 Дж*К‐1• Соотношение взаимности Онзагера одна из основных теорем термодинамики неравновесных процессов, которое было установлено в 1931 г. Онзагером. В термодинамических системах, в которых имеются градиенты температуры, концентраций компонентов, химических потенциалов, возникают необратимые процессы, связанные с теплопроводностью, диффузией, протеканием химических реакций. Эти процессы характеризуются тепловыми и диффузионными потоками, скоростями химических реакций и т.д. Они называются общим термином «потоки», а вызывающие их причины (отклонения термодинамических параметров от равновесных значений) ‐термодинамическими силами. Связь между потоками и силами, если термодинамические силы малы, записывают в виде линейных уравнений (закон Ома, закон Фика и др.). • В случае взаимодействия потоков при перекрестных процессах, уравнения взаимности Онсагера, устанавливают связь между кинетическими коэффициентами. Ниже приведены уравнения Онсагера для двух потоков (J1и J2) и сил (Х1 и Х2): • J1 = L11 Х1 + L12 Х2 • J2 = L22 Х2 + L21 Х1 • L12 = L21• Биологическое значение сопряжения потоков. Коэффициент сопряжения • Энергетический обмен у живых организмов организован таким образом, что они могут обходить энтропийный термодинамический критерий и в них протекают не только возможные, но и невозможные с термодинамической точки зрения реакции. • Два условия необходимы для осуществления энергетического сопряжения: • 1) Свободная энергия, даваемая термодинамически возможной реакцией, должна превышать энергию, потребляемую реакцией термодинамически невозможной, то есть должен быть некоторый избыток энергии с учетом вероятных потерь при ее передаче • 2) Обе сопрягаемые реакции должны иметь общий компонент. Такими компонентами в биологических системах могут быть, например, электрохимический градиент протонов. • В биологических системах сопряжены множество процессов: перенос растворимых веществ и воды, сопряжены многие биохимические процессы. Примером сопряженных биохимических реакций может служить фосфорилирование глюкозы на первой стадии гликолиза. • Схема сопряжения химических реакций.•••••••••Пример фосфорилирование глюкозы при гликолизе по схеме: глюкоза + Ф → глюкозо‐6‐фосфат + Н2О ΔG = 13 кДж/моль Этот процесс не может идти самопроизвольно, он протекают за счет сопряжения с другой химической реакцией, изменение свободной энергии которой отрицательно, например с реакцией гидролиза АТФ по уравнению: АТФ + Н2O → АТФ + Ф ΔG = –36 кДж/моль Объединение первой и второй реакции дает: АТФ + глюкоза → АДФ + глюкозо‐6‐фосфат Складывая изменения свободной энергии реакций при их совместном протекании, получаем для фосфорилирования глюкозы с участием АТФ: ΔG = –36 кДж/моль + 13 кДж/моль = –23 кДж/моль. • Окислительно‐восстановительный потенциал(редокс‐потенциал) — мера способности химического вещества присоединять электроны (восстанавливаться). Окислительно‐восстановительный потенциал • Ео выражают в мВ. • Связь ΔG с Ео• ΔG = ‐ nFΔЕоПеренос электронов на фотосинтетической мембранеЯчейки БенараДиссипативные структуры• Диссипативная структура это устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативная система характеризуется спонтанным появлением сложной, зачастую хаотичной структуры. ••Реакция Белоусова ‐ ЖаботинскогоДемон МаксвеллаИНФОРМАЦИЯ И ЭНТРОПИЯ•••••••Информация I = ‐ log2Р В качестве единицы информации I принимают количество информации в достоверном сообщении о событии, априорная вероятность которого равна 1/2.Энтропия S = k ln w где k —постоянная Больцмана (k = 1.38*10‐23 ) [Дж*К‐1] или 8,617 ×10−5эВ∙К‐1«Информационное решение парадокса демона Максвелла» заключается в том, что информацию нельзя получать бесплатно.Связь между информацией (I) и микросостоянием системы (W) выражается в формуле: •I = log2W• Энтропия системы в данном макросостоянии, есть количество информации, недостающее до ее полного описания.

S (э.е) = 2,3 * 10‐24 I бит•Энтропия измеряется в кал/(моль∙ К) (энтропийная единица – э. е.) и дж/(моль∙К). При расчётах обычно применяют значения Энтропия в стандартном состоянии, чаще всего при 298,15 К (25 °С), т. е. S0298; таковы приводимые ниже в статье значения ЭнтропияЭнтропия увеличивается при переходе вещества в состояние с большей энергией. D S сублимации > DS парообразования >> DS плавления >DS полиморфного превращения. Например, Энтропия воды в кристаллическомсостоянии равна 11,5, в жидком ‐ 16,75, в газообразном ‐ 45,11 э. е.Чем выше твёрдость вещества, тем меньше его Энтропия; так, Энтропияалмаза (0,57 э. е.) вдвое меньше Энтропия графита (1,37 э. е.). Карбиды, бориды и другие очень твёрдые вещества характеризуются небольшой ЭнтропияУпорядоченность построения многоклеточного организма•Тело человека содержит примерно 1013 клеток. Допустим, что среди них нет ни одной пары одинаковых и что ни одну пару нельзя поменять местами без нарушения функционирования организма. Это значит, что относительное расположение клеток в теле человека однозначно.••I = log2(1013) = 1013log21013 = 4 • 1014 битпонижение энтропии строения организма человека из клеток δS = 2,3 • 10‐24• 4 • 1014 = 10‐9 эе (соответствуют энергии испарения 10‐9 г воды)•••Для создания единственной аминокислотной последовательности белков организма человека необходимо 1026 бит. Для ДНК необходимо 4,3 • 1023 бит. Упорядоченность этих веществ изменяют энтропию на 300 эе, что соответствует испарению 170 г воды. • Ценность биологической информации определяется возможностью ее запоминания, хранения, переработки и дальнейшей передачи для использования в жизнедеятельности организма.Физические принципы построения биологических молекул.Энергия ионных взаимодействий • Взаимодействие ионов одного знака повышает энергию системы, а разных – снижает ее.• E = q+ q− / (4π r ε),• где q+ и q− ‐ заряды взаимодействующих ионов, r ‐расстояние между ними, ε ‐ диэлектрическая проницаемость среды.• Диэлектрическая проницаемость ε для воды около 80, а для белка – 2‐4, два протона на расстоянии 3 Ǻ, • в воде энергия взаимодействия 6,3 кДж/моль, • в белке – около 40 кДж/моль. Ван‐дер‐ваальсовы силы.Для взаимодействия двух диполей энергия притяжения между ними выражается соотношением:• EК = −2 μ1 μ2 / 4π ε0 r3,• где μ1 и μ2 ‐ дипольные моменты взаимодействующих диполей, r ‐расстояние между ними.• Энергия притяжения между постоянным и наведенным диполем:• EД = −2 μнав2 γ / r6,• где μнав ‐ момент наведенного диполя, • γ‐поляризуемость.• Дисперсионных взаимодействий является результатом появления линейных диполей, возникающих в результате движения электронов в молекулах. В основе дисперсионных взаимодействий лежит принцип неопределенности Гейзенберга: ••Энергия дисперсионных взаимодействий также обратно пропорциональна r6. Принципиальная структура катратовКлатрат метанаЭнергия внутреннего вращенияУровни структуры белков: 1 — первичная, 2 — вторичная, 3 — третичная, 4 — четвертичнаяЛекция 7Строение белков и ферментативный катализДенатурация белковой молекулИзменение конформации белкаТуннельный эффектSEk+1k-1k+2( ES )  P  ES  k1SE  k1  ES E  k SE  k  ES   kE   ES   E0 ES ES   k1SE  k1  ES   k2  ES P  k2  ES   v p~ 10SP1122 10 3 M / lE0  10 5  106 M / lE  0 0 ESSteadyStateratek2 E0 Svp K K  SS  mMvpk 1  k  2Km k 1k  2 E0  vPmax½ vp(ES)SS   K M( ES )  E012S   K MSPDynamic behavior of simpleenzyme reactionsInhibitors regulate enzyme reactionsISubstrateSActivecenterInhibitorВлияние конкурентного ингибитораSelf inhibition by substrateS   ES K+3K-3 ES k2 E0 SvP Km  S  S 2 / Ksk 3Ks k 3S   v0  vP 2kES0  S  P vnpvpvnp  k  S0  S     kSdS vnp  v pdtGlycolysisdxxy v1  k( K mx  x) ( K my  y )dtdyxyykq  y)( K mx  x) ( K my  y )( K mydtyK mx  x, K my  y  1/ v1 1 1 1x- управляющий параметр- устойчивый фокус- неустойчивый фокус(голодные клетки)- бифуркационное значениеФ6ФФДФЛекция 8Биологические мембраныСтруктура агрегатов в растворах амфифильного вещества· а- монослой наповерхности раздела гидрофобной и полярной сред; б - сферическая мицелла вполярном растворителе; в - обращённая сферическая мицелла в жирной среде; г ламелла (бислой) в полярной среде; д - обращенная ламелла (мыльная плёнка);е - пузырёк (везикула), образованный в полярной среде.ИммуносомаВесы ЛегмюраЛатеральная диффузия липидовСостояние мембраны:жидкий кристаллгельСлияние мембран (модель)Петч-клямпЗависимость температуры плавления от количествадвойных связей в составе жирных кислотУравнение НернстаСтроение поринаВалиномицин (К-канал)Облегченная диффузия обладает специфичностью, имеетнасыщение и чувствительна к ингибиторамNa-H обменАктивный транспортРавновесный мембранный потенциал Нернста0i  RT1nci  zFi  oe  RT1nce  zFeРабота K-Na-АТФ-азы•••••••1) E + АТФ →E*АТФ,2) E*АТФ + 3Na →[E*АТФ]*Na3 ,3) [E*АТФ]*Na3 →[Е1 ~ P]*Na3 + АДФ,4) [Е1 ~ P]*Na3 →[Е2 ~ P]*Na3 ,5) [Е2 ~ P]*Na3 + 2K →[Е2 - P]*K2 + 3Na,6) [Е2 - P]*K2 →[Е1 - P]*K2 ,7) [Е1 - P]* → E + P + 2K.Биологические потенциалыφ еіφs 1∆φφеφs 2φмφ2∆ххПеремена электрического потенциала приприближении к мембране и в самоймембране.ПланПотенциал покоя на цитоплазматической мембранеБиофизика возбудимой клеткимембраны, проницаемостьВозбудимые клеткиМорфология и структуры нервнойклеткиМорфология и структуры нервнойклеткиСтруктура миелинаБелки и структура миелинаМежклеточные контакты в нервной системе•••••••••••••••••А. Контакты ( по механизму)1. синаптический2. щелевые контакты: 1.размер канала ‐15‐20А2. проводимость для простых ионов , сложных молекул 1500 Дт3. транспорт‐ активный (энергозависимы) однонаправленный, т.е. работает как синапс.‐ пассивный ( 10‐7‐ 10‐5 см2/с) передача сигнала в обоих направлениях4. не обеспечивает направленности в передаче ПД5. аналог симметричной связи в нейросети Хопфилда6. не существует понятия афферент и эфферентБ. Контакты ( что с чем)1. Аксо‐дендритные контакты2. Аксо‐соматические контакты в теле нейрона3. Аксо‐аксональные контакты: пресинаптическое торможение, сходное с синаптическим4.Дендро‐дендритные связи: сигналы передаются в обе стороны, симметричные связи (ЩК). Контактирующие нейроны превращаются в синцитий5. Дендро‐аксональный контакт ( противоположное п.1) как синаптически, так и ЩКБИОЛОГИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА•••••••••Функции плазматической мембраны1. эндоцитоз2.эксоцитоз3.клеточная адгезия: миелин; А‐ШК4. движение клетки ( ШК по аксону)5. межклеточные взаимодействии я6. синтез АТФ7. генерация и проведение ПД8. движение бактерийСостав биологической мембраны• 1. Липиды: фосфолипиды; гликолипиды (50% Л);холестерин; триглицерол; стероиды; свободные жирные кислоты; • 2. Белки:интегральные; периферические; белки связанные с цитоскелетом; белки с вязанные с гликокаликсом;Ассоциация мембранных белков с липидным бислоем. Трансмембранные белки пронизывают бислой в виде :одиночной α‐спирали (1) или нескольких α‐спиралей (2). Некоторые белки (1 и 3) присоединяют ковалентно цепь жирной кислоты, погруженную в монослой с цитоплазматической стороны (1). Другие белки ассоциируют с бислоем только за счет ковалентно присоединенного к ним липида – либо жирной кислоты, погруженной в монослой (3), либо через фосфолипид фосфатидилинозитол, погруженный во внешний монослой и соединенный с белком через олигосахарид (4). Многие белки ассоциируют с мембраной только благодаря нековалентным взаимодействиям с другими мембранными белками (5).( 6‐14)Силы, формирующие мембрану ‐ поверхностные явления и межмолекулярные взаимодействия‐dp =  Гidi•А. поверхностные явления ( адсорбция Гибса): •••Р – поверхностное натяжение, (н/м)Гi – степень адсорбции на поверхности – химический потенциал•Поверхностное натяжение (весы Ленгмюра) ••••А‐ площадь молекулы в монослоеА0 – минимальная площадь молекулы В – коэффициент эластичности монослояА0 для лецитина = 0.6‐0.8 нм 2•••••••Б. межмолекулярные взаимодействия: 1. электростатические взаимодействия 2. белок‐липидные взаимодействияТипы электростатических взаимодействий‐латеральные – в монослое мембраны‐транслатеральные ‐ в разных монослоях мембраны‐межмембранные ‐ разные монослои разных мембранР= А0‐ А/ в Механические свойства мембраны•••А. подвижность молекул в мембране ‐ вращение вокруг своей оси ( липид 10‐8 с ; белок 10‐6 – 10 ‐4 с) ‐ латеральная диффузия: • e2 = 4 D t ••e2 – среднеквадратичное расстояние;D липида 10 ‐8 – 10‐7 см 2/ с ; D белка 10‐12 ‐ 10 – 10 см2/ с;•‐ трансмембранное движение («флип‐флоп» переход) – 30‐60 мин.• R‐1 = 2 x 3 ½ D/A••R‐1 ‐ частота обмена молекулА ‐ площадь молекулы ( м2)Типы движений фосфолипидных молекул в липидном бислое Двойные связи в ненасыщенных углеводородных цепях увеличивают текучесть липидного бислоя, затрудняя совместную упаковку гидрофобных хвостов (6‐6 и 6‐7)Молекула холестерола, представленная в виде химической формулы (А), схематического изображения (Б) и при взаимодействии с двумя фосфолипидными молекулами в монослое (В).( 6‐8)Вязкость мембранызависит от-ФЛ состава,холестерина итемпературыАсимметрическое распределение фосфолипидов и гликолипидов в липидном бислое эритроцитов Полярные головки гликолипидов изображены в виде шестиугольников. Холестерол (не показан), по‐видимому, распределяется между монослоями примерно одинаково.

Характеристики

Список файлов лекций