Литература

• Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. – М., 1980, стр. 415-449 (Глава 15)

• Владимиров Ю.А. Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М., 1989, стр. 27-69 (Глава 2)

• Рубин А.Б. Современные методы биофизических исследований. Практикум по биофизике. – М., 1988, стр. 98-110

• Губанов Н.И. Медицинская биофизика. – М., 1978, стр. 79-88

• Волькенштеин М.В. Биофизика. – М., 1988, стр. 144-148

• Рощупкин Д.И., Артюхов В.Г. Основы фотобиофизики. – Воронеж, 1997, стр. 19-34 (Глава 2,3)

Занятие № 10

ТЕМА: Перенос электрона и миграция энергии в биосистемах

Цель: Изучить физические механизмы процессов переноса электрона и безызлучательной миграции энергии и их роль в биологических процессах

Перенос энергии электронного возбуждения между двумя молекулами можно представить в виде схемы: D* + A → D + A*. Перенос энергии между одинаковыми молекулами называют миграцией энергией.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Значимость процессов переноса электрона и миграции энергии для биологических систем.

2. Перенос электрона в двухуровневой системе. Обратимость процесса. Условия обеспечения необратимости процесса переноса электрона.

3. Туннелирование электронов и ядер. Электронно-колебательные взаимодействия при туннелировании электрона.

4. Проводимость белков. Модели проводимости белков.

5. Индуктивно-резонансный перенос энергии электронного возбуждения. Механизм Фёрстера. Расстояния переноса. «Флуоресцентная линейка».

6. Обменно-резонансный перенос энергии. Возможность переноса в системах триплет-триплет, синглет-синглет, синглет-триплет. Расстояния переноса.

7. Экситонный механизм миграции энергии.

8. Динамика электронно-конформационных взаимодействий. Связь конформационной энергии с переносом электрона.

Самостоятельная работа

1. Перенос электрона в процессе фотосинтеза.

2. Использование явления переноса энергии в изучении структуры биологических мембран.

Литература

• Владимиров Ю.А. Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М., 1989, стр. 70-81 (Глава 3)

• Рубин А.Б. Биофизика. Т 1. – М., 2000, стр. 372-418

Занятие № 11

ТЕМА: Метод электронного парамагнитного резонанса в исследованиях свойств биосистем

Цель: Изучить принцип метода ЭПР и возможности его применения в медико-биологических исследованиях

Явление ЭПР заключается в том, что парамагнитные частицы, помещенные в постоянное магнитное поле, поглощают микроволновое электромагнитное излучение определенной (резонансной) частоты.

Электрон обладает магнитным моментом, ориентация которого во внешнем магнитном поле характеризуется спиновым квантовым числом M_S=±¹/₂. Условия резонанса обычно выражают в виде

ΔE=hv=gβH,

где g – безразмерная постоянная, называемая фактором Ланде и равная 2,0023 (g-фактор это отношение магнитного момента электрона к его спиновому угловому моменту), а β – магнетон Бора, равный eh/2πmc.

Аппаратурные особенности спектрометров ЭПР (в поле 3400 Гс на частоте 9,5 ГГц) обычно приводят к тому, что регистрируется первая производная линий поглощения.

В большинстве молекул, согласно принципу Паули, электроны образуют пары с противоположно направленными спинами. Поэтому с такими молекулами наблюдать ЭПР не удается. Лишь немногие молекулы (O₂, NO, NO₂) содержат один или несколько неспаренных электронов в своем основном состоянии и для всех таких молекул наблюдается спектр ЭПР.

Сверхтонкое расщепление возникает при наличии магнитного взаимодействия между неспаренным электроном и ядром. Расстояние между линиями сверхтонкой структуры дает константу сверхтонкого взаимодействия.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Принцип метода ЭПР. Механический и магнитный моменты электрона. Магнетон Бора.

2. Эффект Зеемана. Основное уравнение резонанса. G-фактор.

3. Характеристики спектров ЭПР: амплитуда, форма линии, ширина линии.

4. Времена продольной и поперечной релаксации (T₁, T₂).

5. Расщепление линий. Сверхтонкая структура спектров ЭПР.

6. Устройство радиоспектрометра ЭПР.

7. Зависимость характеристик спектра ЭПР от параметров среды.

8. Применение ЭПР в медико-биологических исследованиях.

• Естественные сигналы ЭПР, наблюдаемые в биологических системах.

• Метод спиновых меток и зондов.

• Метод спиновых ловушек.

Самостоятельная работа

1. Для регистрации спектров ЭПР ферродоксинов, цитохромов, пластоцианов приходится проводить измерение при достаточно низких температурах (вплоть до 4-20 К). Почему?

2. Измеряя интенсивность радиационно-индуцированного сигнала ЭПР, можно определить дозу ионизирующего излучения, поглощенного организмом (человеком) в течении всей его жизни. Предположите месторасположение такого стабильного радиационно-индуцированного парамагнитного центра.

3. С помощью спиновых меток было показано, что липидные мембраны имеют неоднородный профиль «жесткости». Как? Какой?

4. Как с помощью спиновых меток можно узнать о том, что в цитоплазматической мембране появились дефекты (разрывы, поры)?