- •Биофизика (бф), как самостоятельная научная дисциплина. Предмет и задачи.
- •Биологические и физические процессы и закономерности в живых системах. Редукционизм и антиредукцианизм. Принцип качественной несводимости.
- •Основные направления развития современной биофизики. Уровни биофизических исследований.
- •Классификация тд систем; особенности живых организмов, как тд систем.
- •6. Характеристика тд функций, применяемых для анализа биолог процессов.
- •7. Внутренняя энергия, теплота и работа, как тд функции.
- •Первый закон тд в биологии; доказательства его применимости к живым системам. Своеобразие проявления первого закона тд в биосистемах.
- •Характеристика энтальпии системы как функция состояния. Тепловой эффект процесса.
- •Закон Гесса, его применимость к биопроцессам. Следствие закона Гесса, его практическое значение.
- •Формулировка второго закона тд. Своеобразие его проявления в биосистемах.
- •Энтропия как функция состояния системы. Связь энтропии с тд вероятностью состояния системы.
- •Уравнение второго закона тд. Понятие свободной и связанной энергии.
- •Доказательства применимости второго закона тд к биосистемам.
- •Теория Онзагера. Гетерогенность энтропии в биосистемах. Уравнение второго закона тд для открытых систем.
- •Теорема Пригожина и направленность эволюции биосистем. Энтропия и биологический прогресс.
- •Организм и клетка как химическая машина. Химический потенциал живой системы.
- •Критерии спонтанности, самопроизвольности протекания процессов в тд системах.
- •Применение тд в биологии: методы расчёта стандартной и реальной свободной энергии биохимических процессов. Свободная энергия Гиббса и Гельмгольца.
- •Потенциал переноса атомных группировок в различных трансферазных реакциях.
- •Понятие макроэргической связи. Характеристика атф как универсального аккумулятора энергии в биосистемах.
- •Причины высоких значений потенциала переноса при гидролизе ди- и полифосфатов. Разнообразие макроэргических соединений в биосистемах.
- •Типы энергетического обмена в биосистемах
- •Типы аккумуляции и пути расходования энергии в биосистемах. Тд сопряжение экзэргонической и эндэргонической стадии биопроцессов; примеры.
- •Тд характеристика анаэробного распада глюкозы. Расчёт кпд.
- •Тд характеристика окисления пировиноградной кислоты в цикле Кребса. Расчёт кпд.
- •Этапы уницикации энергетических субстратов в процессах катаболизма.
- •Современное представление о строении и переносе электронов в дыхательной цепи митохондрий.
- •Современные представления о механизме сопряжения окисления и фосфорилирования в биосистемах.
- •Разнообразие механизмов образование атф и их вклад в энергетику клетки.
- •Различные типы электрон-транспортных путей в живых организмах. Их роль в биоэнергетике клетки.
- •Биофизика фотосинтеза: физическая и физико-химическая стадии, квантовый выход. Расчёт кпд.
- •36. Элементарные кинетические уравнения. Скорость реакции. Константа равновесия обратимой реакции.
- •37. Факторы, определяющие скорость реакций биологических процессов.
- •38. Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ. Молекулярность реакций. Порядок реакций.
- •39. Различия скоростей превращения вещества в реакциях различного порядка.
- •40 Особенности кинетики биологических процессов. Кинет последовательно- и параллельно-протекающих реакций в многостадийном процессе.
- •41.Принцип обратной связи и лимитирующего звена (определяющей реакции) и их роль в регуляции скоростей протекания биологических процессов.
- •42 Зависимость скорости процесса от температуры. Анализ ур-ия Аррениуса.
- •43.Энергия активации реакции (процесса). Экспериментальной определение величины энергии активации.(см №42 тоже)
- •44 Особенности кинетики ферментативных реакций. Понятие об активности ферментов. Единицы измерения активности и количества ферментов.
- •45/ Основные положения теории ферментативной кинетики и общей теории механизма действия ферментов.
- •46/ Вывод и анализ уравнения Михаэлиса-Ментен для односубстратной ферментативной реакции.
- •47 Графическии анализ результатов кинетического исследования ферментативной реакции (v0 число "оборотов", Vmах,Кm).
- •48.Физический смысл основных кинетических характеристик ферментативной реакции (Vmax, Кm).
- •49/ Использование уравнения Лайнуивера-Берка для определения кинетических характеристик ферментативной реакции.
- •50/Кинетика ингибирования ферментативных реакций. Обратимое и необратимое ингибирование. Типы обратимого ингибирования.
- •51. Графический анализ конкурентного ингибирования по уравнению Лайнуивера-Берка
- •52. Графический анализ неконкурентного ингибирования по уравнению Лайнуивера-Берка
- •54 Предмет, задачи молекул.Биофизики. Методы исследования
- •55 Биополимеры как основа организации биоструктур, особенности строения, функции
- •56Типы взаимодействия в биополимерах
- •57Факторы стабильности пространственной структуры биологических макромолекул
- •58 Биофизика белков: строение полипептидной цепи, разнообразие типов пространственной структуры молекул
- •59 Физические свойства белков , денатурация, ренатурация. Биороль
- •60 Биофизика нуклеиновых кислот (нк):строение полипептидной цепи, особенности пространственной сьруктуры
- •61 Физические модели нуклеиновых кислот(нк), методы изучения днк и рнк
- •62 Физич. Свойства нк. Денатурация, ренатурация: механизм, качеств. И количеств характеристика, биологич. Роль. Метод молеклярной гибридизации.
- •63 Осмотическое давление биол. Жидкостей, его измерение; влияние поверхностной активности веществ на величину поверхностного натяжения, биологическая роль.
- •64. Поверхностное натяжение воды и биологических жидкостей, его измерение; влияние поверхностно активных веществ на величину поверхностного натяжения; биологическая роль.
- •65. Развитие представлений о строении биомембран; типы моделей мембран, их научное значение.
- •66.Биофизическая характеристика молекулярных компонентов мембран: белков, липидов, углеводов и их комплексов.
- •67.Вода как составной компонент биомембран: структура, свойства, биологическая роль.
- •68.Типы межмолек улярных взаимодействий в мембранах, их природа и роль в стабилизации мембранных структур.
- •69.Физические свойства биомембран. Подвижность компонентов мембраны (вращательное движение, латеральная и вертикальная диффузия).
- •70. Фазовые переходы в мембранах; факторы, инициирующие фазовые переходы мембран. Жидкие кристаллы в структуре мембран, их свойства.
- •71. Биофизическая характеристика мембранных липидов: строение, свойства, классификация
- •72.Искусственные мембраны, их строение, классификация, теоретическое и практическое значение. Отличие от природных мембран.
- •73. Монослой на границе раздела фаз. Липосомы и протеолипосомы. Бислойные липидные мембраны.
- •74. Проблема проницаемости и транспорта веществ через биомембраны. Методы исследования проницаемости.
- •75. Классификация и краткая характеристика типов транспорта веществ через биомембраны.
- •76. Диффузия как тип транспорта веществ через биомембраны; скорость и движущие силы диффузии. Закон Фика.
- •77. Проницаемость клеток для воды, электролитов и неэлектролитов. Физиологическая роль и практическое значение диффузии.
- •78. Облегченная диффузия и транслокация радикалов как типы транспорта веществ через биомембраны; движущие силы, механизмы, биологическая роль.
- •79.Активный транспорт молекул и ионов через биомембраны, его характеристика, свойства и функции.
- •80. Сходcтва и отличия активного транспорта и облегченной диффузии веществ через биомембраны. Доказательства наличия активного транспора в условиях in vitro.
- •81. Транспортные атф-азы, их классификация и роль в активном транспорте ионов. Представление о бионасосах.
- •82. Транспорт ионов кальция через биомембраны, его механизмы, регуляция и биологическая роль
- •83. Биоэлектрические явления: общая характеристика, классификация
- •84. Механизм возникновения электродных и ионных биопотенциалов, их измерение. Формула Нернста.
- •85. Мембранный потенциал и факторы, определяющие его величину.Передача нервного импульса по миелиновым и немиелиновым нервным волокнам.
- •86. Электрокинетический потенциал: возникновение, измерение и факторы, определяющие его величину. Примеры электрокинетических явлений, их характеристика и научно-практическое значение.
- •87. Общая характеристика механохимических процессов. Основные типы сократительных и подвижных систем.
- •88.Биофизическая характеристика мышечных и немышечных сократительных белков.
- •89.Основные характеристики поперечно-полосатой мышцы как механического преобразователя энергии; структура саркомеров, ее изменение при мышечном сокращении.
- •90.Молекулярные механизмы мышечного сокращения, его регуляция.
- •Биофизика (бф), как самостоятельная научная дисциплина. Предмет и задачи.
- •Биологические и физические процессы и закономерности в живых системах. Редукционизм и антиредукцианизм. Принцип качественной несводимости.
89.Основные характеристики поперечно-полосатой мышцы как механического преобразователя энергии; структура саркомеров, ее изменение при мышечном сокращении.
Веретенообразная мышца состоит из пучков мышечных волокон. Зрелое мышечное волокно практически полностью заполнено миофибриллами - цилиндрическими образованиями, сформированными из системы перекрывающихся толстых и тонких нитей, образованных сократительными белками. В миофибриллах скелетных мышц наблюдается правильное чередование более светлых и более темных участков. Поэтому часто скелетные мышцы называют поперечнополосатыми. Миофибрилла состоит из одинаковых повторяющихся элементов, так называемых саркомеров. Саркомер ограничен с двух сторон Z-дисками. К этим дискам с обеих сторон прикрепляются тонкие актиновые нити. Нити актина обладают низкой плотностью и поэтому под микроскопом кажутся более прозрачными или более светлыми. Эти прозрачные, светлые области, располагающиеся с обеих сторон от Z-диска, получили название изотропных зон (или I-зон). В середине саркомера располагается система толстых нитей, построенных преимущественно из другого сократительного белка, миозина. Эта часть саркомера обладает большей плотностью и образует более темную анизотропную зону (или А-зону). В ходе сокращения миозин становится способным взаимодействовать с актином и начинает тянуть нити актина к центру саркомера. Вследствие такого движения уменьшается длина каждого саркомера и всей мышцы в целом. Важно отметить, что при такой системе генерации движения, получившей название системы скользящих нитей, не изменяется длина нитей (ни нитей актина, ни нитей миозина). Укорочение является следствием лишь перемещения нитей друг относительно друга. Сигналом для начала мышечного сокращения является повышение концентрации Са2 + внутри клетки. Концентрация кальция в клетке регулируется с помощью специальных кальциевых насосов, встроенных в наружную мембрану и мембраны саркоплазматического ретикулума, который оплетает миофибриллы. Все нити актина в саркомере имеют постоянную длину и правильную ориентацию, при этом плюс-концы филаментов располагаются в Z-диске, а минус-концы - в центральной части саркомера. Вследствие такой упаковки нити актина, расположенные в левой и правой частях саркомера, имеют противоположную направленность.
90.Молекулярные механизмы мышечного сокращения, его регуляция.
В основе сокращения мышц лежит взаимное перемещение двух систем нитей, образованных актином и миозином. АТФ гидролизуется в активном центре, расположенном в головках миозина. Гидролиз сопровождается изменением ориентации головок миозина и перемещением нитей актина. Регуляция сокращения обеспечивается специальными Са-связывающими белками, расположенными на нитях актина или миозина..Для высокоэффективного преобразования энергии АТФ в механическую работу мышцы должны обладать строго упорядоченной структурой.
Рассмотрим цикл гидролиза АТФ и перемещение головки по актину. В исходном состоянии головка миозина не насыщена АТФ, актинсвязывающие центры сближены и головка прочно взаимодействует с актином. При связывании АТФ в активном центре "пасть" раскрывается, актинсвязывающие участки удаляются друг от друга, прочность связи миозина с актином ослабевает и головка диссоциирует от нити актина. Гидролиз АТФ в активном центре диссоциировавшей от актина головки миозина приводит к закрыванию щели активного центра. После гидролиза АТФ до АДФ и неорганического фосфата шейка занимает положение, перпендикулярное длинной оси нити актина. После всех этих событий головка миозина вновь оказывается способной взаимодействовать с актином. Образование комплекса с актином вызывает структурные изменения в головке миозина. Эти изменения позволяют выбросить из активного центра миозина неорганический фосфат, который образовался в ходе гидролиза АТФ. Головка миозина проталкивает нить актина на шаг вперед. После этого из активного центра выбрасывается другой продукт реакции, АДФ. Цикл замыкается, и головка переходит в исходное состояние.
Механизмы регуляции мышечного сокращения. Ионы Са2 + являются сигналом для начала мышечного сокращения.
Миозиновый тип регуляции сократительной активности. Простейший способ миозиновой регуляции описан для некоторых мышц моллюсков. Миозин моллюсков по своему составу не отличается от миозина скелетных мышц позвоночных. Считается, что при отсутствии Са2 + легкие цепи обернуты вокруг шарнирного участка тяжелой цепи миозина. При этом подвижность шарнира сильно ограничена. Головка миозина не может совершать колебательных движений, она как бы заморожена в одном положении относительно ствола толстого филамента. Очевидно, что в таком состоянии головка не может осуществлять колебательные движения и вследствие этого не может перемещать нить актина. При связывании Са2 + происходят изменения структуры легких и тяжелых цепей миозина. Резко повышается подвижность в области шарнира. Теперь после гидролиза АТФ головка миозина может осуществлять колебательные движения и проталкивать нити актина относительно миозина.
Оказалось, что с миозиновыми филаментами гладких мышц связан специальный фермент. Этот фермент получил название "киназа легких цепей миозина" (КЛЦМ). В состоянии покоя при низкой концентрации Са2 + в цитоплазме киназа легких цепей миозина неактивна. Это связано с тем, что в структуре фермента есть специальный ингибиторный (блокирующий активность) участок. Ингибиторный участок попадает в активный центр фермента и, не давая возможности взаимодействовать с истинным субстратом, полностью блокирует активность фермента.
В цитоплазме гладких мышц есть специальный белок кальмодулин, содержащий в своей структуре четыре Са-связывающих центра. Связывание Са2 + вызывает изменения в структуре кальмодулина. Насыщенный Са2 + кальмодулин оказывается способным взаимодействовать с КЛЦМ. Посадка кальмодулина приводит к удалению ингибиторного участка из активного центра, и киназа легких цепей миозина как бы просыпается. Только после фосфорилирования легкой цепи миозин оказывается способным взаимодействовать с актином и начинается мышечное сокращение.
Актиновый механизм регуляции мышечного сокращения. Связанный с актином механизм регуляции сократительной активности характерен для поперечнополосатых скелетных мышц позвоночных и сердечной мышцы. Нити фибриллярного актина в скелетных и сердечных мышцах имеют вид двойной нитки бус. Нитки бус актина перекручены друг относительно друга, поэтому с двух сторон филамента образуются канавки. В глубине этих канавок размещается сильно спирализованный белок тропомиозин. Каждая молекула тропомиозина состоит из двух одинаковых (или очень похожих друг на друга) полипептидных цепей, которые перекручены. Располагаясь внутри канавки актина, палочкообразная молекула тропомиозина контактирует с семью мономерами актина.
На актиновом филаменте помимо тропомиозина располагается еще и тропониновый комплекс. В состоянии расслабления концентрация Са2 + в цитоплазме очень мала. Регуляторные центры тропонина С не насыщены Са2 +. Ингибиторный и С-концевой участки тропонина I взаимодействуют с актином и с помощью тропонина Т выталкивают тропомиозин из канавки на поверхность актина. До тех пор пока тропомиозин располагается на периферии канавки, доступность актина для головок миозина ограниченна. Контакт актина с миозином возможен, но площадь этого контакта мала, вследствие чего головка миозина не может переместиться по поверхности актина и не может генерировать тянущее усилие.
При повышении концентрации Са2 + в цитоплазме происходит насыщение регуляторных центров тропонина С. Тропонин С образует прочный комплекс с тропонином I. При этом ингибиторная и С-концевая части тропонина I диссоциируют от актина. Теперь ничто не удерживает тропомиозин на поверхности актина, и он закатывается на дно канавки. Такое перемещение тропомиозина увеличивает доступность актина для головок миозина, увеличивается площадь контакта актина с миозином, и головки миозина приобретают возможность не только контактировать с актином, но и прокатываться по его поверхности, генерируя при этом тянущее усилие.