Готовые билеты в PDF-формате (1123293), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Критерий независимости одностор.токов. Используется для доказательства пассивного характера транспорта ионов.2. Принцип Франка-Кондона. Флуоресценция. Квантовый выход и время жизнивозбужденного состояния.Как известно, поглощение кванта света молекулами переводит их в возбужденноесостояние в результате переброски одного электрона на более высокийэнергетический уровень.
Обратный переход из возбужденного в основное состояниеможет сопровождаться испусканием кванта света люминесценции.Разделение внутримолекулярных движений на быстрые электронные и медленныеядерные обусловливает один из фундаментальных законов спектроскопии,связанный с так называемым принципом Франка - Кондона. Каждое электронноесостояние So и S* характеризуется своей потенциальной кривой U°(R), U*(R).Движение (колебание) самих ядер происходит в поле, создаваемом быстродвижущимися электронами, и U(R) есть потенциальная энергия для движения ядер.Решение квантово-механической задачи для движения ядер показывает, что энергияядерных колебаний принимает дискретные значение, т. е. квантуется так же, как иэнергия электронов.
Поглощение света и переход So -> S* происходят практическимгновенно, так что тяжелые ядра не успевают изменить своих положений и скоростей(принцип Франка-Кондона). При этом переходе, изображенном вертикальнойстрелкой, повышается запас внутренней колебательной и потенциальнойэлектронной энергии. Причина этого состоит в том, что кривые U°(R) и U*(R) неидентичны.Таким образом, в силу принципа Франка - Кондона «вертикальные» переходымежду электронными состояниями происходят при практически неподвижныхядрах и сопровождаются кратковременным (на 10~12-10~11 с) повышениемколебательной энергии молекулы.
«Невертикальные» переходы гораздо менеевероятны. Положение максимума спектральной полосы флуоресценцииопределяется наиболее вероятным переходом S* —- So, а сама величина квантовфлуоресценции — потерями энергии электронного возбуждения при переходе наколебательные подуровни состояния So.Время жизни состояния. Время жизни тау состояния S1 определяется суммарнойвероятностью его дезактивации:где N1 — количествовозбужденных молекул в состоянии S1; No — общее число молекул хромофора;затухание флуоресценции в простейшем случае носит также экcпоненциальныйхарактер и происходит за время тау ~ 10^(-9) %10^8 с.Квантовый выход флуоресценции.
Величина квантового выхода (В) определяется как отношение количества квантов флуоресценции, испущенных с уровня S1, кпоглощенным квантам и зависит от вероятности дезактивации синглетноговозбужденного состояния по излучательному пути. В отсутствие каких-либопроцессов тушения:Если в течение времени жизни возбужденного состояния в среде происходят идругие процессы тушения помимо внутримолекулярной тепловой дезактивации, тоони сокращают выход и длительность флуоресценции:состоянияQ — вероятность дополнительной дезактивацииБилет № 41. Линейные и нелинейные уравнения в математических моделях биологическихпроцессов.Применимость принципов химической кинетики к анализу метаболических процессовоткрывает широкие возможности математического моделирования с помощьюобыкновенных дифференциальных уравненийОднако если число переменных велико, а уравнения включают нелинейные члены, как это иимеет место в моделях биологических процессов, то поиски точных аналитических решенийисходной системы дифференциальных уравнений встречают серьезные математическиетрудности.
Ясно и то, что далеко не всегда сами по себе решения уравнений дают ответ навопрос об общих динамических свойствах и механизмах регуляции сложных систем. В этомотношении принципиальное значение в развитии математического моделирования сложныхбиологических процессов имел отказ от идеи обязательного нахождения точныханалитических решений соответствующих уравнений.
Вместо этого на первый планвыступают качественные методы анализа дифференциальных уравнений, которыепозволяют раскрыть общие динамические особенности биологических систем. Сюдаотносятся прежде всего свойства стационарных состояний, их число, устойчивость,возможность переключения из одного режима в другой, наличие автоколебательныхрежимов.Найти общее решение в аналитическом виде сравнительно легко удается лишь длянебольшого класса систем дифференциальных уравнений, обычно линейных. Однакопроцессы, происходящие в биологических системах, как правило, существенно нелинейны,соответственно нелинейны и модели этих процессов.
Так, уже скорость простейшегобимолекулярного взаимодействия описывается математически в виде произведенияконцентраций реагентов. В модели таких реакций правые части уравнений содержатнелинейные члены, что может создать математические трудности в их решении.В ряде случаев в биологических системах осуществляется известный принцип узкого места,согласно которому общая скорость превращения вещества во всей цепи реакцииопределяется наиболее медленной стадией. Так, если отдельныестадии общего процесса обладают характерными временами Ti, и наиболее медленнаястадия имеет время Tk такое, что Tk≫остальных времён, то определяющим звеном будет к-е,а общее время процесса практически совпадаетсо значением Tk этого узкого места.Наличие такой временной иерархии процессов, являющееся объективным свойствомсистемы, позволяет существенно упростить исходную модель, по существу сведя задачу еекинетического описания к изучению поведения наиболеемедленной стадии.
В этом смысле самое медленное звено — управляющее, посколькувоздействие именно на него, а не на более быстрые стадии, может повлиять на скоростьпротекания всего процесса. Таким образом, хотя биологические процессы и включаютогромное число промежуточных стадий, динамические свойства этих систем регулируютсясравнительно небольшим числом отдельных звеньев, а следовательно, их кинетическаямодель может содержать и существенно меньшее число уравнений.Одним из важнейших свойств открытых систем является установление в них стационарныхсостояний в отличие от термодинамического равновесия, свойственного изолированнымсистемам. В связи с этим при рассмотрении общих динамических характеристик моделибиологической системы в первую очередь будут изучаться свойства ее стационарныхсостояний.
При этом будут обсуждаться следующие вопросы: существуют ли в системестационарные состояния, сколько их, устойчивы ли они, как зависит характер устойчивостиот параметров системы,как ведет себя система вблизи стационарных состояний, возможны ли между нимипереходы?По определению, в стационарном состоянии все производные по времени обращаются внульУстойчивость: особые точки(получаем из характеристического уравнения)1) устойчивый узел (корни действительны и отрицательны);2) неустойчивый узел (корни действительны и положительны);3) седло (корни действительны и разных знаков);4) устойчивый фокус (корни комплексны и Re< 0);5) неустойчивый фокус (корни комплексны и ReX=> 0);6) центр (корни—мнимые).2.
Разделение зарядов и перенос электрона в первичных стадиях процессахфотосинтеза. Роль электронно-конформационных взаимодействий.Первичные процессы фотосинтеза (ППФ) включают несколько этапов: поглощение светахлорофиллом, миграцию энергии поглощенных квантов к реакционным центрам(РЦ)фотосистем, фотохимическое разделение зарядов, процессы переноса электроновпофотосинтетической цепи, сопряженные с запасанием энергии в видехимических связей конечного восстановленного продукта –восстановленного NАDP, а такжеАТP.
Весь комплекс ППФ полностьюосуществляется во внутренних мембранах хроматофоров(у бактерий) или хлоропластов (у высших растений и водорослей), содержащихвесьхлорофилл клетки. Для эффективного поглощения энергииквантов света молекулы хлорофилла сгруппированы по несколькосотен и связаны смолекулами мембранных белков, образуя специальные «антенные» комплексы.Существование разных форм, перекрывающих спектрыпоглощения друг друга,обеспечивают эффективную миграцию энергии поглощенных квантов света к РЦ. Передачаэнергии осуществляется согласно физическим законам от коротковолновых форм пигментовк более длинноволновым, поэтому антенный комплексявляется как бы «воронкой»,обеспечивающей эффективную передачу энергии, поглощенной любой молекулой пигмента,на специальные молекулы хлорофилла, являющиеся РЦ фотосистем, каждыйиз которых функционально тесно связан с донором и акцепторомэлектронов. Возбужденныйэлектрон РЦ передается акцептору электронов,образующийся в РЦ дефицит электронавосполняется переносом электрона от донора.Таким образом, энергиявозбужденногоэлектрона не рассеивается в виде тепла или флуоресценции, а используетсяна образование восстановителя.
У высших растений свет возбуждает две фотосистемы (ФС),локализованные в мембране так, чтодонорная сторона ФС находится у внутреннейповерхности мембраны,а акцепторная – у наружной. Таким образом, энергия кванта,возбуждая электроны в молекулах хлорофилла, запускает электронныйтранспорт через цепьпереносчиков фотосинтетической цепи. Вконечном итоге поток электронов восстанавливаетNАDP+ доNАDPH. Источником электронов в этих реакциях служит у высшихрастений иводорослей окисление воды, сопровождающееся выделением молекулярного кислорода.Освобождающаяся при переносеэлектронов энергия используется для транслокациипротонов через мембрану, возникающая в результате разностьэлектрохимическихпотенциалов запускает синтез АТP в реакциях фосфорилирования.Главная особенность самых начальных стадий – высокая скорость переноса электронов,необходимая для обеспечения эффективного первичного разделения зарядов.
Начальныйакт разделения зарядов в реакционном центре завершается за несколько пикосекунд.Локализация нескольких последовательных переносчиков в пределах одногомакромолекулярного комплекса (на расстоянии 5–10 А) облегчает туннелированиеэлектрона, которое является основным механизмом переноса электронов в ЭТЦфотосинтеза.Трудность в сопряжении разных реакций, составляющих единую ЭТЦфотосинтеза связана с тем, что разделение зарядов в реакционном центре процессодноэлектронный, в то время как значительная часть переносчиков ЭТЦ двухэлектронные.Донором электронов в ФС 2 является система разложения воды, выделяющая кислород вчетырехэлектронном процессе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
