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…
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…
Энтропия S в т/д имеет троякий смысл:
если в т/д системе происходят процессы, связанные с выделением или поглощением… 1. Тепловая емкость системы.
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
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.
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:
· постоянный обмен энергией с окружающей средой
· постоянно тратится свободная энергия на поддержание состояния
Пригожин сформулировал:
В стационарных состояниях при фиксированных внешних параметрах локальная… Энтропия – мера рассеивания свободной энергии, следовательно любая открытая т/д система в стационарном состоянии…
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
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.
. 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
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…
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…
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
e=x-xст
h=у-уст
Для определения характера устойчивости необходимо одновременно учитывать поведение во времени отклонений e и h.…
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.
В любом организме существует набор био-хим процессов, в их основе лежат внутренние свойства системы. Причины колебаний во внутренних динамических…
Распределение биологической системы