Біофізика та біосистеми

БІОФІЗИКа І БІОСИСТЕМи

1. ПРЕДМЕТ, СТРУКТУРА ТА ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ БІОФІЗИКи І БІОСИСТЕМ

Наука древніх була єдина, поняттям? фізика? (природа) позначалася вся сукупність відомостей про живу і неживу природу. Поділ фізики на дві області знань (про живе і неживе) відбувся порівняно недавно. Уперше термін ?біологія? зустрічається в роботах французького дослідника природи Жана Батиста Ламарка, попередника Чарлза Дарвіна.

Щоб самостійно існувати, біологія мала визначити свій предмет до-слідження, провести границю між живим і неживим. Однак визначення життя, дане в XIX столітті, зводилося до порочного кола: ?Життя є життя?. Біологи того часу вважали, що особлива життєва сила охороняє живе тіло від дії зовнішніх сил, що прагнуть його зруйнувати. Отже, живе існує за своїми законами, що не мають відношення до неживої природи.

Фізика і біологія — дві самостійні і незалежні науки. Однак час від часу виникали сумніви: чи так насправді? Чи різні закони для живого і неживого?

Ще в 1628 році на основі кількісних вимірів і застосування законів гідравліки був пояснений механізм кровообігу, у той же період Рене Декарт помітив, що механічні закони ідентичні для неживої матерії і для живих систем. П'єр Лаплас показав, що немає двох різних хімій для неорганічних і органічних тіл. Він довів, що в основі подиху і виділення тепла в тілі людини і тварин лежать такі самі процеси окислювання, що існують і поза живими організмами.

У такий спосіб на основі аналізу і порівняння було сформульовано: ?У матеріальних часточках організмів не виявляється ніяких нових сил, що не могли б діяти поза ними. Тому немає ніяких сил, що заслуговували б назви життєвих сил?.

Не встигли біологія і фізика розмежуватися, як стали лунати голоси на користь об'єднання.

Виникла необхідність створення галузі науки, що має своєю задачею застосування законів неорганічних явищ, чи фізики, до розвитку органічних форм. Наука, яка намагається показати, що факти біології - морфології, ембріології і фізіології - утворюють окремі випадки застосування загальних фізичних законів, і одержала назву? Біофізика?.

Біофізика не має властивого тільки їй об'єкта чи предмета дослідження, як, наприклад мікробіологія (наука, що вивчає мікроорганізми). Біофізиці притаманний властивий тільки їй фізичний підхід до вивчення широкого кола явищ живої природи.

У серпні 1982 року в Москві проходив І-й Всесоюзний біофізичний з'їзд, 2500 фахівців взяли участь у його роботі. З'їзд відзначив, що сучасна біофізика характеризується широтою охоплення різнорідних біологічних об'єктів досліджень і фізичною проблематикою.

Біофізика — не описова наука, головна її мета — проникнення в сутність явищ шляхом побудови набору фізико-математичних моделей, що виявляють закономірності процесів, які протікають у живих системах. Біофізика вивчає фізичні характеристики живих організмів, а також фізичні явища та закономірності, що лежать в основі життєдіяльності. Це фізика явищ життя на всіх рівнях: молекулярному, клітинному, організменому, біосферному.

Розгляд біофізичних явищ починається з фізичної постановки задачі, що відноситься до об'єкта живої природи. Це означає, що задача формулюється, виходячи з загальних законів фізики. Формулювання біофізичної задачі можливе поки лише в обмежених випадках. Це визначається складністю живої системи, тому що фізичні, хімічні і біологічні аспекти життєдіяльності зв’язані нерозривно. Кожна з цих наук визначає свої особливості живого організму.

Біологія основними ознаками життя вважає:

1. Обмін речовин (метаболізм) включає два точно збалансованих процеси, а саме анаболізм, чи використання енергії і матеріалів для хімічних синтезів і катаболізм — розщеплення речовин зі звільненням енергії.

2. Здатність до росту і розвитку.

3. Здатність до розмноження.

4. Спадковість і мінливість.

Хімія визнає такі особливості:

1. Жива система обов’язково гетерогенна. Безглуздо говорити про живі молекули. Окремо взяті молекули не живуть.

2. Жива природа характеризується єдністю хімічної побудови. Основні речовини й основні хімічні процеси єдині.

3. В основі будь-якого прояву життєдіяльності лежить хімічна реакція, за участю каталізатора, активність якого регулюється.

4. Усі біохімічні процеси мають строгу спрямованість у часі й у просторі.

Біофізика розглядає живий організм як відкриту систему, що саморегулюється, само відтворюється і розвивається. Найважливішими функціональними речовинами є біополімери — білки та нуклеїнові кислоти. Принципова особливість живої природи — практично необмежене різноманіття, в силу якого двох однакових організмів у природі не існує. Біофізика розглядає такі характеристики живого:

1. Авторегуляцію.

2. Автореєстрацію.

3. Дискретність.

4. Адекватність.

5. Мікроеволюцію.

6. Генерацію біопотенціалів — біоелектрогенез.

Предмет біофізики досить складний і багатогранний, і його викладання і розуміння вимагає залучення не тільки матеріалів з різних розділів біології, але і широкого використання сучасних методів і законів фізики, математики і фізичної хімії.

2. Об'єкти дослідження фізики клітинних процесів. Жива клітина — основна форма життя

Основні форми життя. В усьому різноманітті організмів можна виділити дві різні групи — неклітинні і клітинні форми життя.

Неклітинні форми. До неклітинних відносяться віруси. Віруси виявляють життєдіяльність тільки в стадії внутрішньоклітинного паразитизму. Найтиповішим проявом життєдіяльності вірусів є вірусні захворювання, такі як сказ, віспа, грип, інфекційна жовтяниця, кір, ящур. Віруси мають субмікроскопічні розміри, для їхнього вивчення використовують електронні мікроскопи. Так, наприклад, вірус грипу має діаметр від 0,08 мкм до 0,1 мкм, вірус віспи — від 0,22 мкм до 0,26 мкм.

Клітинні форми. Основну масу живих істот складають організми, що мають клітинну структуру. Клітина є найменшою структурною і функціональною одиницею живого і має усі властивості живої системи, здатна до самостійного існування, розвитку і відтворення. Організми, що мають клітинну структуру, поділяються на дві категорії: ті, що не мають типового ядра — прокаріоти, і ті, що мають типове ядро — еукаріоти.

Жива клітина — відкрита система. Вона автономна стосовно навколишнього середовища (речовина клітини не повинна змішуватися з речовиною оточення) і зв’язана з навколишнім середовищем (безупинний регульований обмін речовиною й енергією між клітиною і навколишнім середовищем). Схематичне зображення тваринної та рослинної клітин наведено на рис. 1.

біофізика мембрана біосистема Найважливішою умовою існування клітини і, отже, життя є нормальне функціонування біологічних мембран.

Основні функції біологічних мембран:

1. Бар'єрна функція — забезпечення селективного, регульованого, пасивного й активного обміну речовиною з навколишнім середовищем.

2. Розділова функція — уміст клітини поділяється на відсіки, завдяки чому в клітині одночасно можуть протікати різні процеси.

3. Механічна функція — забезпечення міцності й автономності клітини та внутрішньоклітинних структур.

4. Енергетична функція — синтез АТФ (аденозінтрифосфорна кислота) на внутрішніх мембранах мітохондрій і фотосинтез у мембранах хлоропластів.

5. Рецепторна функція — сприйняття механічних, акустичних, нюхових, зорових, хімічних, термічних та інших впливів на організм.

6. Підтримка різниці концентрацій речовин та іонів шляхом їхнього переміщення проти градієнта концентрації.

7. Створення різниці електричних потенціалів.

8. Участь у процесах синтезу.

Основні компоненти біологічних мембран — ліпіди (30%), білки (60%), вуглеводи (10%) (рис. 2).

Білки, у залежності від ступеня занурення в подвійний шар ліпідів, поділяються на інтегральні, що пронизують подвійний шар ліпідів наскрізь і периферійні, які лише частково стикаються з ліпідами.

У функціональному відношенні білки, що входять до складу мембран, поділяються на:

ферментативні;

структурні;

транспортні;

рецептори;

перетворювачі енергії.

3. Біофізика мембранних процесів

3.1 МЕМБРАННИЙ ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН У КЛІТИНАХ. ПАСИВНИЙ МЕМБРАННИЙ ТРАНСПОРТ

У процесі життєдіяльності клітинам необхідне надходження з навколишнього середовища живильних речовин, вітамінів, кисню, мікроелементів та інших речовин, без яких не може існувати живий організм. У результаті обміну речовин, що безперервно протікає, у цитоплазмі постійно утворюються кінцеві продукти метаболізму: вуглекислий газ, сечовина та ін., накопичення яких згубне для клітини, і, отже, вони мають бути виведені в зовнішнє середовище.

У структурі біологічних мембран існують шляхи і механізми виборчого переносу різних за розмірами і фізико-хімічними властивостями молекул.

Мембранним транспортом називають процеси виборчого переносу речовин, забезпечувані спеціальними структурами мембран.

Типи мембранного транспорту:

пасивний транспорт;

активний транспорт.

Пасивний перенос речовин через біологічну мембрану

Пасивний транспорт — це перенос речовини з місць з великим значенням хімічного, або електрохімічного потенціалу до місць з меншим його значенням, яке не потребує витрат енергії (рис. 3).

Рушійною силою дифузії є різниця хімічних потенціалів даної речовини в двох областях, між якими відбувається дифузія:

. (1)

Для іонів, рух яких залежить не тільки від концентрації, але і від електричного потенціалу, вводиться поняття електрохімічного потенціалу :

(2)

де — стандартний хімічний потенціал;

— абсолютна температура [К];

— газова постійна, що дорівнює ;

— концентрація [моль];

— заряд іона (валентність, число елементарних зарядів, що приходяться на один іон, з урахуванням знака заряду (наприклад, для іона,; для іона,; для іона ,);

— число Фарадея, що дорівнює ;

— трансмембранна різниця потенціалів .

Через пори проникають молекули води. Діаметр пор 0,7 — 1,6 нм.

За допомогою полегшеної дифузії проникають у клітину амінокислоти, цукри, вони з'єднуються з компонентами мембрани — білками-переносниками. З'єднуючись з речовиною, що транспортується, яка сама не може проходити через мембрану, переносник наче? протаскує? її крізь подвійний ліпідний шар.

Такий вид дифузії одержав назву — полегшена дифузія.

Наприклад, транспортна активність білка-переносника валіноміцина відповідальна за його антибактеріальну дію. Стримання росту мікроорганізмів зв’язано зі здатністю антибіотика збільшувати в багато разів калієву проникність мембрани бактеріальної клітини, і внаслідок цього зменшується концентрація катіонів у цитоплазмі, що призводить до порушення функцій бактеріальної клітини (рис. 4).

Відмінності полегшеної дифузії від простої дифузії речовин через біологічну мембрану

1. Перенос речовини за участю переносника відбувається значно швидше. Переносник збільшує швидкість у разів;

2. Полегшена дифузія має властивість насичення. При збільшенні кон-центрації з однієї сторони мембрани щільність потоку речовини зростає лише до деякої межі, коли всі молекули переносника вже зайняті.

3.2 МЕХАНІЗМИ АКТИВНОГО ТРАНСПОРТУ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ. ІОННІ КАНАЛИ

Активний транспорт — це перенос речовини з місць з меншим значенням електрохімічного потенціалу в місця з більшим його значенням (рис.5)

Активний транспорт у мембрані супроводжується зростанням енергії, він не може йти мимовільно, а тільки разом з процесом гідролізу АТФ (тобто за рахунок енергії, запасеної в макроенергетичних зв’язках АТФ).

За рахунок активного транспорту в організмі створюються:

градієнти концентрацій речовин;

градієнти електричних потенціалів;

градієнти тиску;

підтримуються всі життєві процеси;

з погляду термодинаміки активний перенос утримує організм у нерівноважному стані, підтримує життя.

Нерівномірний розподіл іонів між клітиною і зовнішнім середовищем характерний для більшості тканин. Іони є основним катіоном у цитоплазмі, а — у позаклітинному середовищі.

Електрогенні іонні насоси

Іонні насоси — спеціальні системи інтегральних білків (транспортні АТФази), які працюють за рахунок енергії, що звільняється при гідролізі АТФ.

Іонні насоси акумулюють або виділяють іони в напрямку, протилежному їх електрохімічним градієнтам, при цьому утилізують енергію гідролізу АТФ.

Основна функція АТФаз (іонних насосів) — використання енергії, що вивільняється, для переносу іонів.

Іонні насоси електрогенні — переносять не тільки частку речовини, але й електричний заряд через мембрану, створюючи таким чином мембранний потенціал.

Види іонних насосів

Функціональне призначення іонних насосів — підтримка усередині клітини постійної іонної складу.

(). Задача насоса — виводити з клітини іони натрію, що пасивно проникають в середину і накопичувати іони калію за рахунок енергії АТФ. Максимальне число циклів — 100 за секунду.

(). Задача насоса — перенос у м’язових клітинах з області з меншою концентрацією в область з більшою концентрацією. У внутрішньоклітинних мембранах м’язових клітин 80% інтегральних білків складають. Функціональний стан скорочувальних білків м’язових клітин залежить від концентрації. У період збудження м’язової клітини концентрація зростає і приводить до скорочення м’яза. У стані спокою іони виводяться.

(чи протонна помпа). Задача насоса — здійснювати перенос протонів при роботі дихального ланцюга мітохондрій.

Класифікація деяких транспортних білків

Канали:

потенціал-залежні канали (-канал, швидкість транспорту);

хімічно-регульовані канали;

чуттєві до тиску.

Переносники:

пасивні переносники (наприклад, переносник глюкози через еритроцитарну мембрану, швидкість транспорту);

активні переносники:

сполучені з окислювально-відновними реакціями;

сполучені з поглинанням світла (бактеріородопсин, швидкість транспорту);

АТФази (-АТФаза, швидкість транспорту).