Биофизика как наука

Биофизика как наука

Живые огранизмы – открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, важнейшими функциональными веществами в… Задачи биофизики: 1. Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование…

Первое начало термодинамики

Количество теплоты, поступающей в систему расходуется на увеличение внутренней энергии системы за вычетом совершенной работы. dW = pdV + dW'max Работа равна произведению давления на изменившийся объем плюс максимально полезная работа против внешнего давления по…

Второе начало термодинамики

Энтропия S в т/д имеет троякий смысл: если в т/д системе происходят процессы, связанные с выделением или поглощением… 1. Тепловая емкость системы.

Т/д потенциал

1. Определение величины работы, совершаемой в системе. 2. Характеристические функции состояния системы изменения которых численно… dU=dQ-dW

Градиенты

Биологические системы характеризуются наличием большого количества градиентов (осмотический, электрический, концентрационный…)

Градиент какого-либо т/д параметра изменяется с расстоянием

Рисунок

Ґ=ΔΤ/ Δυ

Ґ – направление от большого значения параметра к меньшему.

Биосистема способна совершать работу, если в ней имеется градиент. Градиент – своеобразное депо энергии.

F свободная энергия F = RTlnФ₁/Ф₂

Ф значение т/д параметров в 1 и 2 точках

  Применимость второго закона т/д для характеристики свойств био систем 1. Второй закон т/д был сформулирован для характристики изолированных систем. Реальные биологические системы являются…

DS/dt=diS/dt+deS/dt

Скорость изменения энтропии в системе равна сумме скорости продукции энтропии в самой системе и скорости обмена энтропией между системой и окружающей средой.

Скорость продукции энтропии в системе всегда больше 0, так как т/д процессы в ней необратимы.

 

Второй закон т/д для открытых систем

а) dS/dt>0; diS/dt>0; б) deS/dt=0 нет обмена со средой, система изолированная; в) deS/dt<0, ½deS/dt½< ½diS/dt½

Стационарное состояние

Стационарное состояние: · постоянный обмен энергией с окружающей средой · постоянно тратится свободная энергия на поддержание состояния

Механизмы устойчивости стационарного состояния в био системах. Теорема Пригожина

Пригожин сформулировал: В стационарных состояниях при фиксированных внешних параметрах локальная… Энтропия – мера рассеивания свободной энергии, следовательно любая открытая т/д система в стационарном состоянии…

Динамические свойства биопроцессов

1. Параметры, меняющие свое значение со временем. Переменные величины: численность клеток, биомасса, концентрация отдельных веществ, трансмембранный… 2. Величины, значение которых с течением времени практически не изменяется.… Пример: характеризует кинетику процесса в культуре клеток

Основные особенности кинетики биопроцессов

2. Биосистема пространственно гетерогенна, следовательно условия действия реагентов могут различаться в разных точках системы и переменные… 3. Существуют специфические механизмы саморегуляции действия по принципу… 4. Трудности биокинетики связаны так же с тем, что она описывает процессы открытых систем.

Схема системы с отрицательной обратной связью

 

ОУ – объект управления,

РВ – регулируемая величина,

ИУ – измерительное устройство (измерение параметров регулируемой величины)

АС – аппарат сравнения,

ОС – обратная связь,

f – сигнал от высших центров регуляции.

 

Простейшая кинетическая модель открытой системы

. Модель системы в которой происходит обмен веществ "а" и "b" с окружающей средой, внутри обратимые реакции превращения… da/dt = k1(A–a)–k2(a–k–2b) db/dt = k2a–k3(b–B)–K–2b

Качественный анализ кинетической модели

Очевидно, чтобы сделать заключение об устойчивость стационарного состояния необходимо иметь соответствующие критерии. Бассейн с водой открытая система. С определенной Vпр в него поступает вещество… Рисунок. Стационарное состояние в т. а отвечает условию, что V = cosnt = 0. В стационарной точке da/dt = 0. Количество…

Качественный критерий устойчивости стационарного состояния Ляпунова

dx/dt = 0, dy/dt = 0 x(t) – const, y(t) – const Такая точка получила название особой точки. Она показывает местоположение на графике стационарной системы. Если…

Редукция числа уравнений. Принцип узкого места

Принцип узкого места (ПУМ) основан на разделении всех переменных, характеризующих свойства системы на быстрые и медленные. Характерное время… Согласно ПУМ общая скорость всей цепи реакций определяется наиболее медленной… При внешних возмущениях в системе наблюдаются изменения как быстрых, так и медленных перменных, однако эти изменения…

Рисунок

В данном процессе меняется управляющая стадия в зависимости от освещения. При плохом освещении узким место фс-а являются начальные фотохимические стадии поглощения и трансформации энергии и света в пигментном аппарате. Скорость этих процессов не зависит от t⁰ в промежутке от +5 до +30⁰ С. При хорошем освещении узким местом фс-а являются темновые процессы переноса электрона и поглощения воды.

Эти процессы не справляются с потоком электронов, поступающих от пигментного комплекса, что приводит к насыщению фс-а (световое насыщение), эти процессы являются ферментативными, поэтому их скорость зависит от t⁰. И скорость фс-а будет увеличиваться с ростом t⁰.

 

Типы динамического поведения био систем

Система двух диф уравнений, модель хар-ся отсутствием перегруженности, на их основании можно качественно провести анализ.

dx/dt=P(x;y)

dy/dt=Q(x;y)

Используется метод фазовой плоскости

Фазовая плоскость – это плоскость с осями координат, на которых отложено значение переменных (х;у), отражающих состояние системы, таким образом каждая точка этой плоскости будет соответствовать определенному состоянию системы

х₀, у₀ – начальные состояния системы.

Траектория из последовательности точек, каждая из которых будет характеризовать состояние системы в любой определенный момент времени.

Последоват. сов-ть точек на фазовой плоскости, отражающая значение переменных (х;у) на пути перехода – это линия, получившая название фаз???

Изображающая точка – точка на фазовой плоскости, отражает состояние системы в определенный момент времени. Фазовый портрет – совокупность фазовых траекторий, отражающих качественные черты поведения системы во времени.

P(x;y)=0 –

Q(x;y)=0 –

стационарное состояние

Для нахождения особой (стационарной) точки, необходимо построить на фазовой плоскости кривые P(x;y)=0; Q(x;y)=0. Очевидно, особая точка будет находиться в месте пересечения этих кривых.

dx/dt=k₁A – k₁x+k₂y-kx=P(x,y)

dy/dt=k₂x-k_-2y-k₃y+k₃B=Q(x,y)

y=-C₁x+C₂

y=C₃x+C₄

C – коэффициент пропорциональности

Графики могут пересекаться в нескольких точках (если это кривые), следовательно существует несколько стационарных состояний.

Фазовый портрет триггерной системы

 

Типы устойчивости особых точек

e=x-xст h=у-уст Для определения характера устойчивости необходимо одновременно учитывать поведение во времени отклонений e и h.…

Биологические триггеры

Любая триггерная система способна переключаться с одного режима на другой. Ф.п. стриггер системы характризуются как минимум двумя стационарными… Рисунок. 2 вида переключения. 1) силовое переключение осуществляется при значительном изменении переменных х или у.

Колебательные процессы

В любом организме существует набор био-хим процессов, в их основе лежат внутренние свойства системы. Причины колебаний во внутренних динамических…   Распределение биологической системы