ЗАНЯТИЕ № 5 (лабораторная работа)

ТЕМА: Исследование оптической активности биомолекул. Определение концентрации углеводов с использованием поляриметрии

Цель: Приобрести практические навыки определения оптической активности биологических молекул и измерения концентрации оптически активных веществ с использованием полярометрии

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Метод дисперсии оптического вращения (ДОВ).

2. Метод кругового дихроизма.

3. Оптическая активность молекул, ассиметрия. Взаимодействие оптически активного вещества с поляризованным светом.

4. Связь между спектрами поглощения и кругового дихроизма, кривыми дисперсии и дисперсии оптического вращения.

5. Относительная оценка методов ДОВ и КД, преимущества и недостатки.

6. Изучение конформационных изменений методом КД.

7. Применение ДОВ и КД для изучения структуры белков и полипептидов.

8. Эмпирические правила применяющиеся для изучения структуры белков и полипептидов.

9. Аппаратура для измерения ДОВ и КД, схема, ход работы.

10. Уравнение Друде. Эффект Коттона.

11. Распространение электромагнитной волны, плоскость поляризации.

12. Выполнение практической работы по определению концентрации углеводов с использованием поляриметра.

Практическая работа:

Реактивы и оборудование: Поляриметр, сахароза (5 г на 50 мл), мальтоза (3 г на 50 мл), рамноза (3 г на 50 мл), глюкоза (5 г на 50 мл), галактоза (3,5 г на 50 мл).

1. Ознакомиться с правилами работы с помощью преподавателя на поляриметре.

2. Измерить длину кюветы.

3. Заполнить кювету заданным раствором углевода, измерить угол вращения.

4. Рассчитать по формуле (справочные данные) молярный коэффициент вращения.

5. Сопоставить полученные данные со справочной информацией.

Задание по группам

	Угол вращения	Молярный коэф. вращения	Концентрация
Сахароза
Мальтоза
Рамноза
Глюкоза
Галактоза

 

Длина кюветы = _____

 

Удельное вращение [α]_λ =

 

Самостоятельная работа

1. Что называют плоскостью поляризации?

2. Что называют кривой КД?

Литература

· Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. – М., 1980

· Досон Р Элиот Д. Справочник биохимика. – М., 1991

 

 

ЗАНЯТИЕ № 6

ИТОГОВОЕ ЗАНЯТИЕ: Использование физических и физико-химических методов в биохимических исследованиях

Контрольные вопросы:

1. Основные методы определения молекулярной массы макромолекул.

2. Теоретические основы гель-хроматографии. Выбор адекватного носителя для определения молекулярной массы.

3. Принципы методов определения молекулярной массы.

4. Понятие о других физических методах, которые используются для определения размера и формы частиц.

5. Какие факторы определяют скорость движения молекулы при ультрацентрифугировании. Характер зависимости.

6. Какие факторы определяют скорость движения молекулы при электрофорезе. Характер зависимости.

7. Методика определения молекулярной массы с помощью гель-хроматографии.

8. Основные элементы жидкостного хроматографа.

9. Кислотно-основные свойства аминокислот.

10. Кислотно-основные свойства белков.

11. Что такое потенциометрическое титрование.

12. Физический смысл pK. рК аминокислот.

13. Какими факторами определяется количество титруемых групп белков.

14. Закон Бугера-Ламберта-Бера, отклонения. Физический смысл молярного коэффициента погашения (экстинции). Оптическая плотность.

15. Общая теория поглощения света молекулами, хромофор. Схема энергетических уровней.

16. Спектр поглощения. Задачи абсорбционной спектроскопии, спектры, используемые в области физической биохимии.

17. Спектрофотометр, схема, ход работы, отличие от ФЭКа.

18. Факторы, влияющие на абсорбционные свойства хромофора. Эффект рН, полярности и ориентации.

19. Спектрофотометрическое титрование белков.

20. Поглощение поляризованного света.

21. Эмпирические правила интерпретации спектров поглощения биологических макромолекул.

22. Параметры, измеряемые в абсорбционной спектрометрии.

23. Идентификация веществ путем спектральных измерений.

24. «Репортерные» группы.

25. Метод дисперсии оптического вращения (ДОВ).

26. Метод кругового дихроизма.

27. Оптическая активность молекул, ассиметрия. Взаимодействие оптически активного вещества с поляризованным светом.

28. Связь между спектрами поглощения и кругового дихроизма, кривыми дисперсии и дисперсии оптического вращения.

29. Относительная оценка методов ДОВ и КД, преимущества и недостатки.

30. Изучение конформационных изменений методом КД.

31. Применение ДОВ и КД для изучения структуры белков и полипептидов.

32. Эмпирические правила, применяющиеся для изучения структуры белков и полипептидов.

33. Аппаратура для измерения ДОВ и КД, схема, ход работы.

34. Уравнение Друде. Эффект Коттона.

35. Распространение электромагнитной волны, плоскость поляризации.

 

 

ЗАНЯТИЕ № 7

ТЕМА: Биологические мембраны. Структура и функции

Цель: Изучить основные свойства билипидного слоя биологических мембран и методы их изучения

Одно из важнейших условий возможности существования живых организмов – это обеспечение оптимальных условий для функционирования отдельных систем, или гомеостаз. С другой стороны, существование организма в целом возможно только при взаимосогласовании активности всех систем, т.е. при условии максимальной доступности каждой из них информации о состоянии других систем. Компромисс между этими противоположно направленными требованиями обеспечивается свойствами особых структурно-функциональных образований – биологических мембран, сложного комплекса молекул различной природы – липидов, белков, углеводов. Особенности функционирования этого комплекса в большой степени предопределяются уникальностью свойств основного, матричного компонента мембран – липидного бислоя.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Основные функции биологических мембран: барьерная, матричная, механическая.

2. Структура биологических мембран.

· Жидкостно-мозаичная модель Ленарда-Сингера. Белково-кристаллическая модель Вандеркю и Грина.

· Типы белок-липидных взаимодействий.

3. Молекулярная организация липидного компонента биологических мембран.

· Жирнокислотный состав мембран. Ассиметрия структуры мембран.

· Вода в составе мембран – связанная, свободная, захваченная.

· Силы, определяющие свойства липидного компонента мембран. Формирование монослоя на границе раздела фаз вода-воздух. Фазовые состояния липидов мембран – ламеллярное, гексагональное.

4. Упругие и электрические свойства мембран. Образование и затекание поры. Электрическая стабильность мембран. Напряжение пробоя. Методы изучения.

5. Подвижность липидов в мембранах. Латеральная диффузия. Переходы «флип-флоп». Методы изучения.

6. Конформационная подвижность различных участков жирнокислотных цепей, параметр порядка, образование кинков. Методы изучения конформационной подвижности.

7. Фазовые переходы «смектическая жидкокристаллическая фаза – гель».

· Методы изучения фазовых переходов в мембранах.

· Термодинамика фазовых переходов.

· Кооперативность переходов, размер кооперативного звена.

· Изменения геометрии и электрических свойств мембран при фазовых переходах.

Самостоятельная работа

1. Факторы, влияющие на температуру главного фазового перехода в мембране.

2. Заполнить таблицу «Функции биологических мембран».

 

Клетки	Мембраны	Функции

 

Литература

· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, с. 8-31

· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, с. 95-121

· Рубин А.Б. Биофизика. Т 2. – М., 2000, с. 6-59

· Рубин А.Б. Лекции по биофизике. – М., 1998, Лекция 13. Физико-химические особенности биологических мембран. Ионные равновесия

· Харакоз Д.П. О возможной физиологической роли фазового перехода «жидкое-твердое» в биологических мембранах // Успехи биол. химии, 2001, т.41, с. 333-364

· Владимиров Ю.А. Биологические мембраны. Строение, свойства, функции.

· Владимиров Ю.А. Тема 6. Фазовые переходы липидов в мембранах.

· Владимиров Ю.А. Перенос веществ через мембраны.

ЗАНЯТИЕ № 8

ТЕМА: Транспорт веществ через липидный бислой, однобарьерная модель для независимых потоков ионов. Механизм формирования потенциала покоя

Цель: Изучить механизмы пассивного транспорта веществ через биологические мембраны

Многочисленные исследования диффузии веществ через биологические мембраны выявили корреляцию между проникающей способностью веществ и их растворимостью в липидах. В связи с этим долгое время полагали, что молекулы проникают через липидную часть мембраны благодаря своей способности растворяться в липидах. Однако малые гидрофильные молекулы могут проникать через поры в мембране. Для проникновения неэликтролитов из воды в гидрофобную часть мембраны или узкую мембранную пору необходима частичная или полная дегидратация молекулы (-COOH, -OH, -NH₂) с диполями воды. Например, значения энергии активации, полученные для проникновения этиленгликоля, глицерина и эритрита через искусственные фосфолипидные мембраны, а также через мембраны изолированных клеток, близки к значениям энергии дегидратации этих соединений. Необходимость дегидратации молекул является причиной сильной температурной зависимости коэффициента проницаемости мембран для ряда неэлектролитов. Хотя через биологические мембраны диффундируют самые разные соединения, в то же время даже сравнительно небольшие молекулы аминокислот и моносахаридов практически не проникают через мембраны большинства клеток за счет простой диффузии. Движущей силой транспорта с участием переносчика является градиент химического или электрохимического потенциала вещества. Функционирование систем с облегченной диффузией, так же как и простой диффузии, направлено на выравнивание градиентов и установление равновесия в системе. Однако градиенты вещества могут поддерживаться длительное время за счет того, что проникающие молекулы потребляются или образуются в ходе биохимических реакций по одну из сторон мембраны.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Диффузионный механизм транспорта частиц через мембрану. Образование кинков. Перенос веществ через липидный бислой как результат перехода между кинками.

2. Уравнение Теорелла. Связь параметров уравнения Теорелла с первым законом Фика. Теоретическая оценка и экспериментальные значения величин переноса нейтральных молекул через мембрану.

3. Перенос частиц в электрическом поле. Уравнение Нернста –Планка.

4. Поперечные профили концентрации вещества по мембране. Проницаемость мембран. Второй закон Фика. Роль примембранных слоев воды.

5. Зависимость проницаемости мембран от размера и заряда иона. Уравнение Стокса-Эйнштейна и потенциал Борна.

6. Формирование поперечного профиля мембранного потенциала. Длина экранирования. Приближение Гольдмана.

7. Решение уравнения Нернста-Планка в приближении Гендерсона и Гольдмана. Потоки ионов через мембрану при условии независимости. Соотношение Уссинга для пассивного транспорта.

8. Влияние разности концентраций на вольтамперные характеристики ионных потоков. Нарушение условия независимости потоков. Осциллятор Теорелла.

9. Формирование потенциала на границе раздела двух фаз. Доннановское равновесие.

Самостоятельная работа

Оцените относительные вклады примембранных слоев воды и липидного бислоя в проницаемость мембран: (1) для нейтральных липофильных и гидрофильных молекул, (2) для ионов.

Литература

· Рубин А.Б. Биофизика. Т 2. – М., 2000, с. 72-204

· Рубин А.Б. Лекции по биофизике. – М., 1998, Лекция 14-16

· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, с. 8-111

· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, с. 121-136, 147-172

· Волькенштеин М.В. Биофизика. – М., 1988, с. 341-354, 359-386

ЗАНЯТИЕ № 9

ТЕМА: Переносчики ионов и ионные каналы

Цель: Изучить физические принципы работы и строения систем, осуществляющих транспорт ионов через мембраны

Живые системы на всех уровнях организации - открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны - необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Методы исследования ионного транспорта через мембраны.

· Бислойные липидные мембраны, гигантский аксон кальмара.

· Микроэлектродная техника.

· Техника петч-кламп.

2. Вольтамперные характеристики.

· Токи через бислойную мембрану. Отклонения от линейности (по приближению Гольдмана) при высоких разностях концентраций ионов как следствие возникающей нелинейности распределения потенциала внутри мембраны.

· Блокаторы ионных каналов тетродоксин (натрий), тетраметиламмоний (калий).

· Два типа вольтамперных характеристик (постоянный ток) для мембран.

3. Переносчики ионов и каналы. Каналообразующие агенты. Зависимость проводимости от концентрации ионов.

4. Типы переносчиков: нейтральные, обменный транспорт, липофильные разобщители. Механизм переноса ионов.

5. Ионные каналы. Отличия вольтамперных характеристик калиевых и натриевых каналов.

6. Трехбарьерная модель ионного транспорта. Характер зависимости при лимитирующем центральном барьере и входе в канал.

7. Насыщение каналов. Однорядный характер транспорта при высоких концентрациях ионов.

8. Организация ионных каналов. Селективный фильтр.

Самостоятельная работа

Фермент Na⁺-K⁺-АТФаза в плазматической мембране эритроцита совершил шесть циклов. Какое количество ионов натрия и калия при этом было активно транспортировано? Сколько энергии было при этом израсходовано, если гидролиз одного моля АТФ сопровождается освобождением 33,6 кДж? Эффективность процесса энергетического сопряжения считать 100%.

 

Литература

· Рубин А.Б. Биофизика. Т 2. – М., 2000, с. 72-204

· Рубин А.Б. Лекции по биофизике. – М., 1998, Лекция 14-16

· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, с. 8-111

· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, с. 121-136, 147-172

· Волькенштеин М.В. Биофизика. – М., 1988, с. 341-354, 359-386

ЗАНЯТИЕ № 10

ТЕМА: Формирование и распространение сигнала в биологических мембранах

Цель: Изучить физические принципы формирования трансмембранных потенциалов и влияние характеристик среды на скорость распространения импульса

Одна из важнейших функций биологической мембраны - генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В медицине на исследование электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие. Практикуется лечебное воздействие на ткани и органы внешними электрическими импульсами при электростимуляции. В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов: 1) окислительно-восстановительные потенциалы - вследствие переноса электронов от одних молекул к другим; 2) мембранные - вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Чем определяется потенциал покоя (повторение, эквивалентная схема).

2. Вольтамперные характеристики каналов. Отличия от характеристик переносчиков при постоянном и переменном напряжении.

3. Регистрация токов через мембрану в условиях фиксации потенциала (экспериментальные предпосылки для теории Ходжкина-Хаксли).

4. Блокировка каналов – действие тетродоксина, тетраметиламмония.

5. Регистрация потенциала действия потенциал-зависимых натриевых и калиевых токов. Пороговость действия.

6. Динамика натриевых и калиевых токов.

7. Модель Ходжкина-Хаксли. Воротные механизмы каналов. Три открывающих и один закрывающий потенциал-чувствительных центра для натриевых (по характеру кривой тока во времени); четыре открывающих для калиевых.

8. Современная трактовка воротного механизма – потенциал-чувствительные конформационные перестройки.

9. Обнаружение воротных токов.

10. Распространение импульса – эквивалентная цепь с распределенными элементами. Телеграфное (кабельное уравнение).

11. Решение телеграфного уравнения для стационарных условий: падение напряжения в зависимости от толщины (радиуса) нервного волокна, сопротивления мембраны. Влияние миэлинизации на скорость распространения импульса.

12. Особенности потенциалов в кардиомиоцитах. Влияние кальциевых токов.

13. Инициация сигналов: хемичувствительные каналы (н-холинорецептор), возникновение автоколебаний – осциллятор Теорелла.

14. Контрольная работа: Трансмембранный транспорт.

 

Самостоятельная работа

Рассчитайте амплитуду потенциала действия, если концентрация калия и натрия внутри клетки возбудимой ткани соответственно: 125 ммоль/л, 1,5 ммоль/л, а снаружи 2,5 ммоль/л и 125 ммоль/л.

 

Литература

· Рубин А.Б. Биофизика. Т 2. – М., 2000, с. 72-204

· Рубин А.Б. Лекции по биофизике. – М., 1998, Лекция 14-16

· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, с. 8-111

· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, с. 121-136, 147-172

· Волькенштеин М.В. Биофизика. – М., 1988, с. 341-354, 359-386

ЗАНЯТИЕ № 11

ТЕМА: Свободные радикалы и перекисное окисление липидов

Цель: Изучить свойства, номенклатуру и происхождение свободных радикалов в организме. Изучить механизмы процессов протекающих в организме с участием свободных радикалов

Радикалами называют атомы или группы атомов, имеющие неспаренный электрон. Радикалы условно можно разделить на две большие группы: активные и стабильные. Ведут себя обе группы по-разному, и функции их в химических процессах различны. Прежде всего, следует уточнить, что в химии термины «активны» и «стабильный» относятся к двум различным по смыслу категориям. Активность - понятие кинетическое, то есть имеется в виду скорость протекания химических реакций с этими веществами. «Стабильность» - понятие термодинамическое, характеризующее равновесное состояние системы. Существует большое количество стабильных веществ (например, металлоорганических), которые даже при нагревании не распадаются, но очень активны по отношению к протону: такие вещества не выдерживают контакта с водой. В химии радикалов так сложилось, что эти различные термины используются для оценки активности в кинетическом смысле. Стабильность радикалов, в первую очередь, связана с возможностью делокализации (распределения) электрона по молекуле. Бензильный радикал является классическим примером стабильных радикалов - электрон в бензильном радикале может находиться в четырех положениях, каждое из которых отвечает резонансной форме бензильного радикала. Не менее существенным фактором, влияющим на стабильность радикала, является пространственный фактор - наличие групп, прикрывающих реакционный центр с неспаренным электроном. Природа заместителя (донорный или акцепторный) существенным образом не влияет на стабильность радикала, поскольку радикал - частица незаряженная, важно блокировать доступ к реакционному центру. Гораздо более значимую роль играют объемность заместителя, его разветвленность, так называемая «лохматость». В бензильный радикал в положения 2,4,6 достаточно ввести третичные бутильные группы (своеобразные зонтики), и стабильность его значительно повысится, так как места максимальной концентрации неспаренного электрона будут блокированы.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Свободные радикалы. Определение, обнаружение, свойства.

2. Факторы, определяющие активность и стабильность свободных радикалов. Примеры.

3. Свободные радикалы в организме. Источники.

4. Номенклатура свободных радикалов.

5. Активные формы кислорода. Свойства, источники.

6. Первичные радикалы в организме.

7. Вторичные радикалы в организме.

8. Перекисное окисление липидов.

9. Свойства природных и синтетических антиоксидантов.

10. Ферментативная антиоксидантная система.

11. Продукты перекисного окисления в организме.

 

Самостоятельная работа

Расположите радикалы в порядке возрастания их устойчивости.

 

 

Литература

· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, с. 41-50

· Берберова Н.Т. Из жизни свободных радикалов // СОЖ, 2000, №5, с. 39-44

· Владимиров Ю.А. Свободные радикалы в биологических системах // СОЖ, 2000, №12, с. 13-19

· Кулинский В.И. Активные формы кислорода и оксидативная модификация макромолекул: польза, вред и защита // СОЖ, 1999, №1, с. 2-7

ЗАНЯТИЕ № 12

ТЕМА: Хемилюминесценция

Цель: Изучить механизмы высвечивания фотонов при химических реакциях и возможности метода хемилюминесценции в исследовании биологических процессов

Хемилюминесценцией (ХЛ) называют свечение, сопровождающее химические реакции. Наличие такого свечения означает, что энергия, которая выделяется на одной из стадий химического процесса, протекающего в системе, оказывается достаточной для образования одного из продуктов реакции в электронно-возбужденном состоянии. Среди огромного разнообразия биохимических реакций, протекающих в живых организмах, лишь единичные сопровождаются измеримым излучением в видимой или ультрафиолетовой областях спектра. Наиболее изучены пять типов процессов, сопровождающихся свечением: биолюминесценция; хемилюминесценция в системах, содержащих активные формы кислорода; хемилюминесценция, сопровождающая реакции свободнорадикального окисления органических соединений; свечение, образующихся при действии физических факторов; термолюминесценция.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Разновидности люминесценции (био-, хеми-, фотохеми-, трибо-, соно-) и факторы их порождающие.

2. Механизм возникновения люминесценции свободных радикалов на примере УФ-возбужденного триптофана (рекомбинационное свечение). Антистоксов сдвиг.

3. Общие черты хемилюминесцентных реакций. Хемилюминесценция при электролизе.

4. Механизм хемилюминесцентных реакций в растворах. Люминесценция рубрена.

5. Люциферин-люциферазная реакция.

6. Стадии превращения перекисей липидов, приводящие к появлению хемилюминесценции.

7. Типы радикалов, которые могут давать хемилюминесценцию. Реакция карбонатов, приводящая к появлению возбужденных молекул.

8. Характеристики хемилюминесценции (спектр, квантовый выход, время жизни). Доказательства триплетного состояния продуктов перекисного окисления.

9. Физические активаторы хемилюминесценции.

10. Химические факторы активации. Механизм активации на примере люминола.

11. Применение люминесценции в биологии и медицине.

 

Самостоятельная работа

Прозрачность некоторых типов солнечных очков для света зависит от его интенсивности. Линзы очков светлые в условиях слабой освещенности в помещении, но темнеют на солнце. Веществом, которым определяется это изменение, является кристаллическое хлористое серебро, входящее в состав стекла. Предложите фотохимический механизм для объяснения этого эффекта.

 

Литература

· Владимиров Ю.А. Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М., 1989, с. 157-187 (Глава 9)

· Рощупкин Д.И., Артюхов В.Г. Основы фотобиофизики. – Воронеж, 1997, с. 29-34 (Глава 3)

ЗАНЯТИЕ № 13

ИТОГОВОЕ ЗАНЯТИЕ: Структура и свойства мембран. Мембранные процессы

Контрольные вопросы:

1. Диффузионный перенос частиц через мембрану. Уравнение Теорелла. Первый закон Фика.

2. Проницаемость мембран. Второй закон Фика.

3. Влияние примембранных слоев воды на проницаемость мембран.

4. Молекулярные машины, осуществляющие первичный активный транспорт ионов.

5. Последовательность стадий работы Са-АТФазы.

6. Молекулярная организация и стадии работы Na-K-АТФазы.

7. Факторы, определяющие распределение ионов между водной и липидной фазой.

8. Факторы, определяющие подвижность ионов.

9. Переносчики ионов. Селективность.

10. Каналообразующие агенты. Селективность.

11. Молекулярная организация Na- и K- каналов. Селективность.

12. Перенос протонов через мембрану.

13. Факторы, определяющие формирование потенциала покоя.

14. Вольтамперные характеристики каналов. Отличия от характеристик переносчиков при постоянном и переменном напряжении.

15. Регистрация токов через мембрану в условиях фиксации потенциала (экспериментальные предпосылки для теории Ходжкина-Хаксли).

16. Блокаторы ионных каналов.

17. Регистрация потенциала действия потенциал-зависимых натриевых и калиевых токов. Пороговость действия.

18. Динамика натриевых и калиевых токов при формировании потенциала действия.

19. Модель Ходжкина-Хаксли. Воротные механизмы каналов.

20. Воротные токи. Регистрация воротных токов.

21. Распространение импульса: эквивалентная цепь с распределенными элементами. Телеграфное (кабельное) уравнение.

22. Решение телеграфного уравнения для стационарных условий: падение напряжения в зависимости от толщины (радиуса) нервного волокна, сопротивления мембраны. Влияние миэлинизации на скорость распространения импульса.

23. Особенности потенциалов в кардиомиоцитах. Влияние кальциевых токов.

24. Инициация сигналов. Возникновение автоколебаний – осциллятор Теорелла.

25. Свободные радикалы. Определение, обнаружение, свойства.

26. Факторы, определяющие активность и стабильность свободных радикалов. Примеры.

27. Свободные радикалы в организме. Источники.

28. Номенклатура свободных радикалов.

29. Активные формы кислорода. Свойства, источники.

30. Первичные радикалы в организме.

31. Вторичные радикалы в организме.

32. Перекисное окисление липидов.

33. Свойства природных и синтетических антиоксидантов.

34. Ферментативная антиоксидантная система.

35. Продукты перекисного окисления в организме.

36. Роль свободных радикалов в физиологических и патофизиологических процессах.

37. Люминесценция. Классификация процессов и факторы их вызывающие.

38. Биолюминесценция. Примеры систем.

39. Рекомбинационное свечение. Причины возникновения антистокова сдвига.

40. Химическая природа соединений, способных высвечивать фотоны.

41. Физические активаторы хемилюминесценции. Механизмы действия.

42. Общая схема процессов, приводящих к высвечиванию фотона на примере рубрена.

43. Схема процессов, приводящих к образованию возбужденных продуктов перекисного окисления липидов.

44. Химические активаторы. Механизм действия на примере люминола.

45. Состояние возбужденного продукта, оценка характеристик.

46. Определение квантового выхода хемилюминесценции.

47. Определение спектральных характеристик хемилюминесценции.

48. Определение времени жизни возбужденного продукта при хемилюминесценции.

 

 

 

ЗАНЯТИЕ № 14

ТЕМА: Основные фотобиологические явления. Кинетика фотоинактивации белков. Спектры действия фотоинактивации белков

Цель: Изучить физические механизмы явлений, обусловленных взаимодействияем электромагнитного излучения оптического и УФ-диапазона с биологическими объектами

Фотобиофизика - это раздел биофизики, который изучает физические основы фотобиологических процессов. К фотобиологическим относят те биологические процессы, которые протекают под действием света или в ходе которых генерируется свет.

Спектром действия фотобиологического процесса называют зависимость некоторого количественного показателя процесса от длины волны (или частоты) действующего света. Аналогично определяется спектр действия фотохимических реакций. Спектры действия представляют интерес для решения двух типов задач: 1) для выявления диапазона длин волн, в котором излучение наиболее эффективно вызывает данный фотобиологический процесс; 2) для выяснения природы молекул-акцепторов действующих фотонов.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Основные фотобиологичсеские явления.

2. Основные стадии фотобиологических процессов.

3. Влияние экранирования на характеристики поглощения света.

4. Ориентация молекул и поглощение света.

5. Общие закономерности фотохимических превращений. Квантовый выход фотохимических реакций.

6. Кинетика однофотонных необратимых превращений. Характер зависимости количества продукта от интенсивности и времени облучения. Влияние экранирующих соединений на образование фотопродукта. Поперечное сечение фотолиза.

7. Обратимые фотопревращения. Характер зависимости количества образовавшегося продукта от дозы облучения.

8. Механизмы фотохимических процессов, в которых проявляется зависимость количества образовавшегося продукта от интенсивности облучения.

9. Спектры действия фотобиологических процессов. Задачи изучения спектров действия. Способы регистрации спектров действия.

10. Характер связи между первичным фотохимическим процессом и биологическим действием. Ограничения способа регистрации спектра фотобиологического действия при постоянной дозе.

11. Регистрация спектров действия при постоянной величине фотобиологического эффекта. Характер связи между дозой облучения и свойствами акцептора. Условия применимости.

12. Особенности регистрации спектров действия для многокомпонентных образцов.

13. Фотобиологические эффекты, зависящие от скорости образования фотохимического продукта.

 

Самостоятельная работа

1. Основные характеристики взаимодействия света и вещества. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

2. Факторы, влияющие на характеристики поглощения света биообъектами.

3. Основные характеристики фотолюминесценции. Факторы, влияющие на характеристики фотолюминесценции.

4. Основные стадии фотобиологических процессов.

5. Влияние неравномерного распределения молекул на характеристики поглощения.

6. Влияние светорассеяния на характеристики поглощения света.

7. Спектры поглощения биологически важных молекул.

8. Характеристики фотолюминесценции.

9. Влияние экранирования на характеристики фотолюминесценции.

 

Литература

· Владимиров Ю.А. Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М., 1989, с. 7-81 (Глава 1-3)

· Рощупкин Д.И., Артюхов В.Г. Основы фотобиофизики. – Воронеж, 1997, с. 5-28, 35-42 (Глава 1-2, 4-5)

ЗАНЯТИЕ № 15

ТЕМА: Механизмы повреждения белков, нуклеиновых кислот и липидов под действием ультрафиолета

Цель: Изучить механизмы непосредственного повреждающего действия ультрафиолетового излучения на биомакромолекулы

Значительная часть излучения Солнца, падающего на атмосферу Земли, приходится на ультрафиолетовую область. В диапазоне длин волн 200-310 нм, где излучение сильно поглощают многие биологически важные молекулы, интенсивность составляет не менее 10¹⁹ квант/м²с. Если такое излучение попадает на человека, то клетки открытых участков кожи погибнут всего за несколько секунд облучения. При длине волны, соответствующей максимуму (около 260 нм) спектра поглощения озона, атмосферный озоновый слой ослабляет УФ-излучение примерно в 10⁴⁰ раз. Поглощение УФ-излучения кислородом, приводящее к фотосинтезу озона, эффективно в области 100-230 нм; максимум этого поглощения наблюдается около 150 нм. В биологических и медицинских исследованиях УФ-излучения по биологическому критерию (по различию в способности вызывать эритему) разделяют на три диапазона: УФ-А - 315-400 нм; УФ-В - 280-315 нм; УФ-С - длины волн меньше 280 нм. Иногда УФ-излучение разделяют на три диапазона, несколько отличающиеся от предыдущих диапазонов и имеющие названия: ближнее УФ-излучение - 310-380 нм; дальнее УФ-излучение - 200-310 нм; вакуумное УФ-излучение - 10-200 нм.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Характеристики солнечного ультрафиолетового излучения.

· Спектр пропускания солнечного излучения кислородом и озоном атмосферы Земли.

· Изменение ультрафиолетового излучения в результате истощения озонового слоя Земли.

· Различные диапазоны биологически активного ультрафиолетового излучения.

2. Инактивирующее действие УФ-излучения на белки. Кинетика фотоинактивации белков.

3. Теория фотоинактивации молекул белков при фотолизе аминокислотных остатков. Спектры действия фотоинактивации белков.

4. Первичные фотопревращения аминокислотных остатков в белках под действием УФ-излучения.

5. Фотодимеризация пиримидиновых оснований в нуклеиновых кислотах, роль триплетных состояний. Роль димеризации тимина в инактивации ДНК под действием УФ-излучения.

6. Фотореактивация фотохимических повреждений ДНК.

7. Фотогидратация пиримидиновых оснований.

8. Сшивки ДНК с белками.

9. Индукция ультрафиолетовым излучением перекисного окисления ненасыщенных липидов. Схема элементарных реакций перекисного фотоокисления липидов.

10. Роль фотолиза антиоксидантов и фотопревращений гидроперекисей жирных кислот в свободные радикалы в развитии перекисного фотоокисления липидов в биомембранах.

 

Самостоятельная работа

1. Почему фотогидратация пиримидиновых оснований происходит только в неспирализованных участках НК?

2. Какова возможная причина того, что фотодимиризация тимина в растворе протекает через триплетное, а не синглетное возбужденное состояние?

 

Литература

· Владимиров Ю.А. Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М., 1989, с. 96-116 (Глава 5)

· Рощупкин Д.И., Артюхов В.Г. Основы фотобиофизики. – Воронеж, 1997, с. 43-76 (Глава 6-8)

 

ЗАНЯТИЕ № 16

ТЕМА: Фотосенсибилизированные процессы в биологических системах

Цель: Изучить механизмы фотодинамических процессов и фотосенсибилизаторы

В фотобиологии соединения, повышающие чувствительность биообъектов к свету, называют фотосенсибилизаторами. Механизмы фотохимических реакций фотосенсибилизаторов крайне многообразны, так же как и механизмы действия эндогенных хромофоров. Практически удобно фотосенсибилизированные процессы разделить на два типа: нуждающиеся в присутствии кислорода и не нуждающиеся в нем. Фотобиологические эффекты, для осуществления которых требуется участие трех составляющих - света, кислорода и красителя - принято называть фотодинамическими эффектами, а соответствующие красители - фотодинамическими красителями.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Определение фотодинамических процессов и фотосенсибилизаторов.

2. Механизм процессов фотосенсибилизации без участия кислор