Биофизика. (шпаргалка к экзамену)

Существует два метода ЯМР: метод постоянного поля и импульсный метод.

Частным случаем применения ЯМР является метод томографии или ЯМР-интроскопии, применяемый в-основном в медицине.

41.    Метод мессбауэровской спектроскопии. Его физические принципы и использование в изучении биополимеров.

Этот метод основан на эффекте Мессбауэра, который заключается в поглощении атомным ядром монохроматического γ-излучения, испускаемого радиоактивным атомом. Образец подвергается действию γ-лучей, излучаемых радиоактивным железом .

Если сообщить источнику некоторую скорость движения относительно образца, то можно изменить частоту излучаемого γ-кванта за счёт эффекта Доплера. При некотором значении частоты, ядра образца будут поглощать γ-кванты, переходя в возбуждённое состояние. Метод используется при анализе свойств Fe-содержащих групп в белках. При этом, резонансная частота атома железа в группе сильно зависит от электронной структуры атома, окружающих групп и характера их взаимодействий. Эффект поглощения излучения усиливают путём обогащения образца изотопами железа, повышая, например, их содержание в пище подопытных животных. Также возможно применение γ-излучающих изотопов в качестве меченых атомов и эффект Мессбауэра как анализатор.

42.    Использование поляризованного света в изучении биополимеров.

Поляризованный свет содержит только электромагнитные волны с одной плоскостью колебания.

Свет может быть плоскополяризован ( обе фазы лежат в одной плоскости) или поляризован по кругу ( фазы взаимно перпендикулярны).

Если взять 2 когерентные волны одинаковой амплитуды поляризованных по кругу и пропустить их через оптически активную среду, возможны разные эффекты:

1.    Разное поглощение компонент. При разной степени поглощения право- и левополяризованных лучей – круговой дихроизм. Круговым дихроизмом обладают многие вещества обладающие свойствами жидких кристаллов, биологические полимеры.

2.    Если при прохождении вещества правая и левая компоненты имеют разную скорость, то происходит круговое двулучепреломление. Это может быть связано с тем, что показатели преломления среды для право- и левополяризованной компоненты будут различны, будет происходить фазовый сдвиг компонентов и волны на выходе не будут когерентны.

3.    Оптическое вращение (правое и левое) – есть поворот плоскостей поляризации при постоянной сумме этих компонентов. Эффектом оптического вращения обладают оптические изомеры молекул. При этом L и D изомеры поворачивают плоскость поляризации в разные стороны, но на один и тот же угол. Рацемические смеси не обладают свойством оптического вращения. Также этим свойством обладают α и β-структуры белков.

43.    Рентгеноструктурный анализ. Его физические принципы и использование при изучении биополимеров.

Рентгенография даёт прямую информацию о расположении атомов в молекулах и кристаллах. Рентгеновские лучи с длинами волн порядка 0,1нм рассеиваются электронными оболочками атомов. Дальнейшая интерференция этих волн приводит к возникновению дифракционной картины. Дифракция наблюдается, если рассеянные волны находятся в фазе, т.е. разность ходя равна целому числу волн. Условие дифракции даётся формулой Брэгга-Вульфа:  и зависит от расстояния между кристаллическими плоскостями и угла падения луча. Рентгеноструктурный анализ заключается в определении расстояний между атомами на основании дифракционной картины.

Для рентгеноструктурного анализа необходимо сначала получить исследуемое вещество в кристаллической форме. Анализ рентгенограмм биологических молекул наиболее сложен, так как их кристаллические решётки имеют большое число отражающих плоскостей. Дифракционная картина представляет собой распределение интенсивности, по которому можно определить распределение электронной плотности объекта. Окончательным результатом рентгенографического исследования является пространственная модель, в которой определены положения всех атомов.

При анализе фибриллярных биополимеров получаются рентгенограммы, на которых дифракционные пятна располагаются преимущественно вдоль одной оси. Осевая структура рентгенограммы указывает на наличие одномерно упорядоченной системы. При анализе длинных цепных полимеров необходимо учитывать, что молекулы в кристалле могут находится в разной степени упорядоченности. В этом случае строят модель исследуемой системы, рассчитывают распределение интенсивностей рефлексов, а затем по совпадению модели с опытными данными судят об истинности модели. Таким способом была установлена пространственная модель ДНК.

44.    Плазматическая мембрана. Её строение согласно жидкостно-мозаичной модели. Липиды плазматической мембраны. Их характеристика. Физические механизмы формирования бислоя липидов. Общие принципы пространственной организации липидного бислоя.

Плазматическая мембрана – это динамическая организованная система, состоящая из двойного слоя липидов, белков и небольшого количества углеводов, связанных с липидами и белками. Согласно жидкостно-мозаичной модели, в двойной слой липидов погружены молекулы белков, разделяемые, по степени погружения в бислой, на поверхностные, погружённые и интегральные. Поверхностные белки гидрофильны, а погружённые и интегральные имеют определённые гидрофобные домены, обеспечивающие их встраивание в липидный слой. По составу белков слои мембраны асимметричны.

Среди липидов мембраны выделяют фосфолипиды, гликолипиды и стероиды.

Фосфолипиды подразделяются на глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды.

Фосфолипиды представляют основную часть липидов мембран.

Фосфотидилэтаноламин: R = NH3-(CH2)2-PO3-

Фосфотидилхолин: R = +N(CH3)3-PO3-

Церамид: R = H

Сфингомиелин: R = +N(CH3)3-(CH2)2-PO3-

Свойства липидов зависят от жирных кислот, входящих в их состав. В частности, важную роль играет количество ненасыщенных связей в цепи ЖК. От степени ненасыщенности зависит температура плавления липидов, чем более ненасыщенны ЖК липида, тем ниже температура плавления. Также, чем больше ненасыщенность связей, тем меньше плотность упаковки мембраны и больше проницаемость мембраны.

Гликолипиды – это липиды, содержащие углеводную цепь. Наиболее распространены гликосфинголипиды. Их роль в предотвращении слипания клеток, за счёт наличия электростатического отталкивания между отрицательно заряженными углеводными группами.

Стероиды сосредоточены в гидрофобной части липидного бислоя. Главная их функция в заполнении пустот между неполярными хвостами липидов, что уменьшает текучесть и стабилизирует мембрану, снижает её пассивную проницаемость.

Общие принципы организации бислоя:

Неполярные хвосты липидов направлены внутрь мембраны и высокоупорядочены.

Полярные головки липидов расположены в плоскости мембраны и могут образовывать водородные связи.

Ацильные цепи расположены под некоторым углом к полярным головкам.

Связи в ацильных цепях могут находиться в различных пространственных конформациях. Для насыщенных связей наиболее устойчива транс-конформация, а для ненасыщенных связей – цис-конформация. От конформации будет зависеть общее направление ацильной цепи. Возможно формирование гош-конформации – поворот вокруг насыщенной связи на 180° - это приводит к формированию в мембране кинков или петель, что снижает плотность упаковки. В мембране часто находятся кинк-блоки – большое количество липидов, находящихся в одинаковой гош-конформации.

45.    Фазовые переходы в биологических мембранах. Их характеристика и функциональное значение.

Липидная мембрана представляет собой динамическую структуру, строение бислоя может меняться в течении жизни или при изменении физических условий. Фазовые переходы мембраны происходят между двумя состояниями: Гель и Жидкий кристалл.

1.    Гель:

·        Все Ацильные цепи полностью имеют транс-конформацию и вытянуты параллельно друг другу.

·        Толщина мембраны больше.

·        Площадь, приходящаяся на 1 молекулу меньше.

·        Мембрана в целом более компактна.

2.    Жидкий Кристалл:

·        Часто встречаются транс-гош-переходы, кинки.

·        Толщина мембраны меньше.

·        Площадь, приходящаяся на 1 молекулу больше.

·        Упорядоченность и компактность меньше, Энтропия системы больше.

Переход между этими двумя фазами является переходом 1 рода.

В матриксе одной фазы может существовать большое количество микроскопических доменов другой фазы.

Фазовые переходы происходят при определённой температуре, зависящей от состава липидов.

При фазовом переходе может происходить увеличение пассивной проводимости мембраны, связанное с образованием каналов на границе участков мембраны, имеющих разное фазовое состояние. Этот процесс лежит в основе терморецепции и хеморецепции.

46.    Свободнорадикальное окисление в биологических мембранах. Характеристика процесса и его значение для клетки.

Свободнорадикальное окисление связано с образованием радикалов жирных кислот под действием активных форм кислорода и перекиси. Образование активных форм кислорода начинается с присоединения электрона к молекуле кислорода.

При этом может образовываться супероксид-ион, перекись и гидроксильный радикал.

Эти формы являются очень реакционноспособными и вступают во взаимодействие практически с любыми веществами.

Возможно присоединение перекиси по двойной связи жирных кислот липидов. Это приводит к образованию липидных перекисей, которые в свою очередь также являются высокоактивными соединениями. В результате они взаимодействуют друг с другом с образованием поперечных сшивок между липидными молекулами. Этот процесс приводит к увеличению количества упорядоченных молекул с ограниченной подвижностью, повышается проницаемость мембраны.

Для ликвидации действия АФК в клетке работают антиоксидантные системы: Супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза и системы, направленные на дезактивацию синглетного кислорода: α-токоферол, β-каротин.

47.    Транспорт веществ через мембраны. Термодинамическая характеристика процесса. Ионное равновесие в мембранных системах. Уравнение Нернста для равновесного потенциала.

Транспорт веществ через мембраны подразделяется на активный и пассивный. Пассивный транспорт всегда идёт по градиенту электрохимического потенциала до тех пор, пока разность потенциалов не будет равна нулю. Активный транспорт идёт против градиента потенциала, приводит к росту мембранного потенциала и использует внешние источники энергии. Химический потенциал – это величина, численно равная энергии Гиббса для 1 моль вещества при постоянных давлении и температуре. Электрохимический потенциал учитывает заряд частиц, помещённых в постоянное электрическое поле.

В условиях равновесия, электрохимические потенциалы двух растворов равны:

Из этого соотношения можно получить формулу Нернста для равновесного потенциала:

В дальнейшем, Ходжкин вывел формулу для потенциала, создаваемого несколькими ионами:

48.    Электродиффузионная теория пассивного транспорта. Уравнение Нернста-Планка. Его вывод и решение.

Поток вещества через мембрану подчиняется уравнению Теорелла:

Подставив сюда уравнение для электрохимического потенциала получаем:

Последнее выражение и есть уравнение Нернста-Планка, оно показывает две причины переноса веществ через мембрану: градиент концентрации и градиент электрического потенциала.

Подход Планка-Гендельсона предполагал электронейтральность мембраны и равенство концентраций катионов и анионов по разные стороны мембраны. Следовательно, равенство потоков катионов и анионов, тогда

Гольдман предположил линейность электрохимического потенциала в толще мембраны:

Тогда решение уравнения для концентраций иона на краях мембраны будет таким:

Ходжкин в дальнейшем предположил, что концентрации ионов на краях мембраны пропорциональны концентрациям в соответствующих растворах.

Тогда Уравнение Гольдмана преобразуется

коэффициент проницаемости.

49.    Пассивный транспорт неполярных веществ. Уравнение Нернста-Планка для транспорта неполярных веществ. Закон Фика. Механизмы транспорта неполярных соединений.

Уравнение Нернста-Планка показывает две причины переноса веществ через мембрану: градиент концентрации и градиент электрического потенциала. Для неполярных веществ(z=0) формула сводится к закону диффузии Фика:

Закон диффузии Фика показывает, что транспорт неполярных молекул зависит только от проницаемости молекул, что выражается в коэффициенте диффузии, и пропорционален разности концентраций.

Существует три механизма пассивного транспорта неполярных веществ: простая диффузия, облегчённая диффузия и фильтрация.

Простая диффузия неполярных веществ не требует наличия специальных структур и зависит только от растворимости в липидах – липофильности – и от вязкости мембраны.

Облегчённая диффузия для неполярных веществ происходит с участием специальных переносчиков. Этот перенос может происходить в симпорте или антипорте с другими веществами.

Транспорт через поры или каналы – специальные мембранные структуры, транспорт через которые зависит только от градиента концентрации. Каналы являются регулируемыми структурами.

В то же время возможен и активный транспорт неполярных веществ против градиента их концентрации.

50.    Уравнение Гольдмана. Его вывод и физический смысл. Понятие проницаемости и проводимости мембраны.

Уравнение Нернста-Планка показывает две причины переноса веществ через мембрану: градиент концентрации и градиент электрического потенциала.

Гольдман предположил линейность электрохимического потенциала в толще мембраны:

Тогда решение уравнения для концентраций иона на краях мембраны будет таким:

Ходжкин в дальнейшем предположил, что концентрации ионов на краях мембраны пропорциональны концентрациям в соответствующих растворах.

Тогда Уравнение Гольдмана преобразуется

коэффициент проницаемости.

51.    Классификация транспорта веществ через мембраны. Термодинамическая и биологическая характеристика отдельных видов транспорта.

В первую очередь транспорт веществ через мембраны подразделяется на активный и пассивный.

Пассивный транспорт: Простая диффузия, облегчённая диффузия и фильтрация.

Активный транспорт: Первично активный и вторично активный транспорт.

Отдельным типом транспорта является везикулярный транспорт.

1.    Простая диффузия. Простая диффузия неэлектролитов не требует наличия каких-либо специализированных структур, зависит только от липофильности и градиента концентрации. В общем случае диффузия зависит от размеров частицы: Вероятность диффузии крупных молекул через мембрану ниже. Простая диффузия электролитов затруднена наличием мембранного потенциала и гидрофильностью, поэтому диффузия электролитов требует участия специальных селективных каналов в мембране. Электролиты играют важную роль в жизнедеятельности клетки и транспорт электролитов может регулироваться изменением проницаемости каналов.

2.    Облегчённая диффузия. Осуществляется с участием специализированных переносчиков. Перенос осуществляется значительно быстрее, чем простая диффузия. С её помощью осуществляется перенос аминокислот, моносахаридов, некоторых ионов.

3.    Фильтрация осуществляется через специальные образования в мембране – поры, через которые может происходить неспецифический транспорт растворов. Фильтрация происходит по градиенту гидростатического давления и зависит от вязкости раствора и размеров поры.

4.    Первично активный транспорт. Всегда сопряжён с использованием энергии АТФ и транспортирует вещества против градиента концентрации. Транспортеры очень специфичны относительно переносимых частиц и могут регулироваться.

5.    Вторично активный транспорт. Является частным случаем облегчённой диффузии, но при этом транспорт одного вещества против градиента концентрации сопряжён с транспортом другого вещества по градиенту концентрации. Возможны два случая: симпорт и антипорт, в зависимости от направления транспорта.

6.    Везикулярный транспорт. Осуществляется транспорт в замкнутых мембранах. Транспорт обеспечивается слиянием и разделением мембранных везикул, частным случаем являются процессы фагоцитоза и пиноцитоза. Это единственный способ транспорта крупных, состоящих из большого числа молекул, частиц.

52.    Ионный транспорт через каналы. Основные свойства ионных каналов. Общий план строения ионного канала. Физические принципы работы ионного канала.

Ионные каналы – интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрации ионов по обе стороны мембраны (трансмембранный ионный градиент).

Неселективные каналы обладают следующими свойствами:

•  пропускают все типы ионов, но проницаемость для ионов K+ значительно выше, чем для других ионов;

•  всегда находятся в открытом состоянии.

Селективные каналы обладают следующими свойствами:

•  пропускают только один вид ионов; для каждого вида ионов существует свой вид каналов;

•  могут находиться в одном из 3 состояний: закрытом, активированном, инактивированном.

Избирательная проницаемость селективного канала обеспечивается селективным фильтром, который образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода, которое находится в самом узком месте канала.

Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма, который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, так называемые активационные ворота и инактивационные ворота, изменяя свою конформацию, могут перекрывать ионный канал.

Для потенциалзависимого канала, в состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня МП канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.

В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:

·        хемочувствительные – регуляция лигандом;

·        потенциалзависимые – регуляция мембранным потенциалом;

·        механочувствительные – реагируют на деформацию мембраны.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6