КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра микроэлектроники

Б И О Ф И З И К А    

БИОЭНЕРГЕТИКА. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

  Жизненные процессы, при всем многообразии, имеют и общие черты, в частности,… 1) исследуются механизмы энергетических процессов, протекающие в организме на молекулярном и субмолекулярном…

СВОБОДНАЯ И СВЯЗАННАЯ ЭНЕРГИЯ

Движение частиц в любом теле может быть упорядоченным и неупорядоченным. Например, у всех молекул газа (или воды), когда он течет по трубе, есть… Между упорядоченным и неупорядоченным движениями существует принципиальная… Причина различия между двумя такими движениями связана с неодинаковой вероятностью каждого из них. Для обеспечения…

СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ

Стационарным называют такое состояние открытой системы, при котором основные макроскопические параметры системы остаются постоянными. Необходимы… ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ СТАЦИОНАРНОГО И РАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ   Равновесное Стационарное 1. и работоспособность системы минимальные. 1. и…

КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

Основные понятия квантовой механики

 

Успехи последних десятилетий в изучении живого организма на молекулярном и субмолекулярном уровнях, позволили проникнуть в молекулярные механизмы его строения и энергетического обеспечения. Квантовая механика представляет собой раздел физики (математики), описывающий общие закономерности движения и взаимодействия микрочастиц. В классической механике четко разграничивают два вида движения:

1. Корпускулярное.

2. Волновое

Для корпускулярного движения характерно то, что объект движется по вполне определенной траектории, и в каждый конкретный момент времени имеет четкую локализацию в пространстве. Для волнового движения, наоборот, характерна делокализация в пространстве. Применительно к волне нельзя сказать, что она находится в данной точке пространства, и не имеет смысла говорить о траектории волны. Применительно к микрочастицам применяют диалектический дуализм, рассматривая их и как частицы, и как волны, то есть, имеет место корпускулярно-волновой дуализм (волны де Бойля). В квантовой механике, уравнение Шредингера играет важную роль, как и второй закон Ньютона в классической механике, и уравнение Максвелла в электродинамике. Уравнение Шредингера в квантовой механике является исходным, основополагающим. И пока оно не выведено из других соотношений. Справедливость этого уравнения доказывается только тем, что выводы, полученные с помощью его, находятся в хорошем соответствии с экспериментальными результатами.

Решения уравнения Шредингера показали, что только свободно движущиеся частицы могут иметь любую энергию. Что же касается связанных частиц, то есть, частиц, движущихся в ограниченном пространстве (в пределах атома или молекулы), то решение уравнения Шредингера для этого случая возможно только при некоторых определенных значениях энергии. Это означает, что связанная частица может иметь только дискретные значения энергии, которые называются собственными. В этой связи электроны атомов характеризуются комбинацией квантовых чисел:

Схема уровней энергии молекул является гораздо более сложной, чем у атомов. Это связано с тем, что в молекулах возможны, помимо движения электронов вокруг ядра, также колебательные и вращательные движения.

При колебательных движениях периодически изменяются относительные расположения ядер в молекуле.

При вращательных движениях изменяется положение в пространстве молекулы, как целого.

Полная энергия молекулы складывается из трех частей:

Вклад каждого вида движения в полную энергию не одинаков, то есть:

Необходимо заметить, что колебательное и вращательное также квантуется.

При поглощении молекулой энергии могут изменяться все виды энергии, поэтому полное изменение энергии будет иметь вид:

Вклад каждой составляющей – неодинаков:

Системы энергетических уровней молекулы представляют собой совокупность далеко отстоящих друг от друга электронных уровней, при этом каждому электронному уровню соответствует набор близкорасположенных колебательных уровней, а каждому колебательному уровню соответствует совокупность еще ближе расположенных вращательных уровней. Упрощенно графически это можно представить так:

 

 

Изменение электрической энергии связано с поглощением или с испусканием кванта энергии, видимой или ультрафиолетовой (УФ) области спектра.

Наряду с электронной энергией при этом процессе могут изменяться и. Поэтому, данному электронному переходу в спектре соответствует не одна линия, а ряд близко расположенных линий, которые образуют полосу. В случае простых молекул при наблюдении спектра приборами большой разрешающей силы, видны линии, составляющие полосу. В сложных молекулах обычно наблюдается несколько довольно широких полос. Такие спектры называют электронно-колебательно-вращательными. Они характеризуют молекулу в целом, и их используют для идентификации вещества.

При поглощении молекулой не большой порции энергии, не изменяется, тогда, как и могут возрасти. Колебательным переходам соответствует поглощение в близкой ИК (инфракрасной) области спектра (). При данном изменении колебательной энергии получается полоса, характеризующая колебательно-вращательный спектр. Эти спектры широко используются для изучения сложных молекул. Многие группы, входящие в сложные молекулы, характеризуются вполне определенными частотами колебательных переходов. Эти переходы имеют место при поглощении энергии в далекой ИК области спектра (). Изучая все эти спектры, можно получить достоверную информацию о строении сложных молекул. А это, в свое время, позволяет по базовым данным осуществить из идентификацию.

 

КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ БИОМОЛЕКУЛ

Живые системы на 99 % состоят из атомов . Большую роль биохимических процессов играют атомы Для атомов и характерно наличие не поделенной пары… Состав электронов в молекуле также может быть описан с помощью волновой… Все многоатомные молекулы могут быть разделены на две группы:

СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ СЛОЖНЫХ МОЛЕКУЛ

Важным источником информации о структуре сложных молекул являются их спектр и поглощение. Излучение спектров поглощения в УФ и в видимой областях… Система МО сложных органических и биологически важных молекул состоит из… Порядок возрастания энергии обычно бывает таким:

ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ БИОМЕМБРАНОЛОГИЯ

  Для организма, как для открытой системы, характерен обмен с окружающей средой… Термин "мембрана" используют в биологии, обозначая им клеточную границу, которой свойственна…

МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ

Наиболее характерным типом вторичных структур интегральных белков является спираль. Причем, на участках, окруженных липидами, преобладает -спираль,… Функции мембранных белков весьма разнообразны. Среди них можно выделить… 1. Обеспечение транспортных свойств БМ (образование мембранных каналов, работа в качестве переносчиков определенных…

ПОДВИЖНОСТЬ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КОМПОНЕНТОВ БМ

Основными формами молекулярного движения в БМ являются: 1. Латеральная миграция (перемещение молекул в плоскости мембраны в пределах… 2. Вращение молекул вокруг собственной оси.

ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

Физические, химические и физико-химические свойства биологических мембран предопределяют выполнение ими определенных функций, без которых… 1. Барьерная. 2. Матричная.

БИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БМ

Различают пассивный и активный транспорт веществ через клеточные мембраны. К пассивному относится транспортно-мембранный массоперенос, происходящий… Активным транспортом называют перенос вещества в направлении, противоположном… Концентрационный, электрический, осмотический и фильтрационный градиенты имеют неодинаковое значение в переносе…

КОЭФФИЦИЕНТ ПРОНИЦАЕМОСТИ БМ

В биофизике используется понятие коэффициента проницаемости, который зависит от коэффициента диффузии, от толщины БМ и коэффициента распределения… - коэффициент распределения;

СВОБОДНАЯ ДИФФУЗИЯ ЖИРОРАСТВОРИМЫХ ВЕЩЕСТВ

Установлено, что вещества тем легче проникают в клетку, чем выше их растворимость в липидах, а она высока у неполярных (гидрофобных) веществ.… Молекулярные компоненты клеточной мембраны непрерывно перемещаются в пределах… Следовательно, чем крупнее частицы (молекулы) проникающего через мембрану вещества, тем меньше вероятность их…

ТРАНСПОРТ С УЧАСТИЕМ ПЕРЕНОСЧИКОВ

Гидрофильные вещества практически не перемещаются в БМ за счет процессов свободной диффузии. Транспорт многих гидрофильных веществ (моносахаридов,… - миграционный; - ротационный;

МЕМБРАННЫЕ КАНАЛЫ

До настоящего времени неизвестны ни структура, ни состав липопротеиновых комплексов, которые образуют мембранные каналы. Однако, экспериментально… - усредненный радиус канала;

КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМ АКТИВНОГО ТРАНСПОРТА

В любой системе активного транспорта веществ через биологические мембраны можно выделить три основные компонента: источник свободной энергии,… В большинстве систем активного транспорта, непосредственным источником… Реже свободная энергия черпается непосредственно системами активного транспорта из окислительно-восстановительных…

СИСТЕМЫ АКТИВНОГО ТРАНСПРТА ИОНОВ

Система активного транспорта ионов (ионные насосы или ионная помпа) обеспечивает неравновесное распределение ионов между клеткой и межклеточной… В организме человека 50 % содержится в межклеточной среде (интерстиции), 40 %… Стабильное поддержание ионного неравновесия, а также, перемещение ионов через клеточную мембрану в сторону более…

КАЛИЕВО-НАТРИЕВЫЙ НАСОС

Благодаря системам активного транспорта для и , поддерживаются стабильные и высокие градиенты концентрации этих ионов на плазмолемме любой клетки.… Компонент помпы является АТФ (источник энергии) АТФазы, которые одновременно… В настоящее время есть несколько гипотез, конкретизирующих участие в работе комплекса -АТФазы. Однако, ни одна из них…

МЕХАНИЗМЫ БИОЭЛЕКТРОГЕНЕЗА И ЕГО РОЛЬ В ВОЗБУЖДЕНИИ

  Живая ткань обладает не только пассивными, но и активными электрическими… Схематически электролит Нернста можно представить:

ВОЗБУДИМЫЕ И НЕВОЗБУДИМЫЕ МЕМБРАНЫ

Все клеточные БМ можно разделить на возбудимые (электрогенные) и невозбудимые (неэлектрогенные). Для неэлектрогенных БМ присущ только ПП, а для… Способность возбудительной ткани отвечать таким образом на действия… Следовательно, между ними существует обратно пропорциональная зависимость:

РЕФРАКТЕРНОСТЬ

Процесс возбуждения сопровождается изменением возбудимости БМ. Рефрактерность - это слово, в переводе означающее "невпечатлительность".… АРФ – абсолютная рефракторная фаза;

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ

ЭЛЕМЕНТЫ СТРУКТУРЫ МИОКАРДА И ИХ МЕМБРАННЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ  

Этап вдоха.

1. Поступление первого импульса к дыхательным мышцам.

2. Синаптическая передача нервных импульсов.

3. Увеличение объема грудной полости.

4. Увеличение объема легких.

5. Снижение давления воздуха в легких.

6. Всасывание воздуха из атмосферы в легкие.

Этап выдоха.

2. Уменьшение объема грудной полости. 3. Уменьшение объема легких. 4. Повышение давления в легких.