Гуанилатциклазная мессенджерная системаДовольно долгое время циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) рассматривался как антипод цАМФ. Ему приписывали функции, противоположные цАМФ. К настоящему времени получено много данных, что цГМФпринадлежит самостоятельная роль в регуляции функции клеток. В частности, в почках и кишечнике он контролирует ионный транспорт и обмен воды, в сердечной мышце служит сигналом релаксации и т.д. Биосинтез цГМФ из ГТФ осуществляется под действием специфической гуанилатциклазыпо аналогии с синтезом цАМФ:
31. Термодинамикабиол.с-м. В основе ф-ния биол. с-м лежат проц. поглощения, пр-ва и трансформац. энергии. Энергия в биол. с-ме испол-ся для их роста, развития, размн., движения, трансп. в-в с/з кл-ные мембраны, способн. трансформ-ть энергию – это важн. св-во биол. с-м. Раздел физики изуч-щий проц. трансформации энергии наз. термодинам. Термодинам. биолог, с-м – это термодин.с-м далеких от равновесия (неравновесная термодин.) – разраб. рус. физ. Пригожиным. Термодин. основана на 3 зак. (началах),получен-х эксперемент-м путём. Т. явл. феноменологической наукой, т.е. наука, к. основ. на эксперемент-х исслед-ях. 3 начала Т. 1-ое: Зак. сохранения Е. С-ма – часть простр-ва, сод. опр-ный набор предметов и отд-ная границей от окр. ср. В завис. от проницаемости границы с-мы м.б. закрытыми, (граница непроницаема для энергии и в-ва).с-мы м.б. изолированными (в-во не м. перенос. ч/з мембр., а энергия м.), открытыми (граница прониц. для энерг.и в-ва). Все БИОС-мы открытые. Состоян. с-мы опис-ся набором физ. и хим. величин, к. наз.параметрами. m,c,V,мю,Н,р - параметры, опис-щие с-му. Состояние с-мы м. изобразить в виде точки на фазовой плоскости Мы живём в 4-х мерном пространстве. Люб. проц., протек. в с-ме опис-ся в виде линии в фазовом простр-ве параметров. Параметры, хар-е состояние с-мы, к. не зависят от пути, по к-му с-ма пришла в это состояние, а зависят тол. от самого состояния наз. ф-ми состоян. или термодинамическими ф-ми: Е с-мы, Н (энтальпия– та часть внутр. энергии, к. превращ-ся в тепло), G – своб. Е Гипса (та часть внутр. Е с-мы,. к. м. б. превращена в работу.), S – мера беспорядка в с-ме (энтропия). Равновесное состояние – так состояние с-мы, находясь в к-м с-ма м. существ-ть бесконечно долго, будучи выведенной из равновесного состоян. с-ма стремится в него возвратится. Биолог. с-мы нах. в неравновесном состоян. (равнов. состоян. для неё гибель). Процессе, осуществл-мый в виде перехода ч/з множ-ва равновесных состояниё наз. равновесным. Равновесн. процессы – бесконечно медленные процесс., они предст-т идеализир-ное описание реальных процессов. Е. равновесн. состоян. с-мы мы предст-м в виде точки в фазовом простр-ве, а равновесн. проц. мы предств-м в виде линии в фазовом пространстве. (график) Равновесн. проц. явл. обратимым. В реальности равновесн. прац-в не сущ-т поскол. всякий проц. пред-т переход с-мы из одного состояния в другое и связан с нарушением равновесия. Равновесн. прац. хар-ся тем, ч. м. пренебречь взаим-ем с-мы с окр. ср. В люб. биол. с-ме в обязат-м порядке присут-т времен. параметр, при этом ось времени направлена из прошлого ч/з наст.в будущее. Термодинамика– наука, изучающая з-ны превращения Е. Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии). Был открыт учен. Майером(нем. Врач), он доказал 1-й закон термодинамики(1841г.) ∆Е = ∆Q – ∆A Энергия закрытой системы постоянна. Изменение внутренней энергии системы (∆Е) равно количеству теплоты, поступившей в систему (∆Q) минус работа (∆A), которую система совершает над окружающей средой. Внутрен. Е с-мы явл-ся суммой Е всех компонентов, входящих в с-му. 1) Энтальпия (теплосодержание)– это термодинамическая ф-ция, хар-ая ту часть энерг. С-мы, к-ая м.б. выделена в виде тепла. ∆Q = ∆Е + ∆A ∆Н=∆Е + р∆V – энтальпия
32. 2-е нач. Т опр-т возможность протек-я того или иного процесса. Невозможен процесс ед-ным рез-том к-го было бы охлаждение более холодного тела и нагревание более горячего. Клаузиус:энергия мира постоянна, энтропия мира возраст-т. Энтропия (беспорядок)S= Q/T формула Больцмана. Q- изменение теплоты в системе, T- Т при кот. это изменение произошло. Формула Людвига-Больцмана S=klnW В реальных с-мах все прац. протек-т встор. энтропии. k-константа Больцмана, W-вероятность данного состояния. к.18в. Лавуазье док-л сохран-ние Е на мышке 1824г. Сади Карно – написал работу «Размышление о движущей силе теплоты». Майер и Джоуль связь. с 1-м нач. Т. Клаузиус, Людвин, Больцм. – 2-е нач.Т. Самой большой вероятностью обладает состояние с-мы, к. м. реализов-ся самым большим числом способов. Энтропия с-мы прямо пропорц-на логорифму вероятности дан. состояния. Один из важнейших зак. природы - зак. возрастания Энтропии – это статический зак. В прир. действ-т 2 типа зак: 1. динамическ. – к. выполн-ся всегда (зак. Ньютона), 2. статические (зак.,выполняемые для огромного числа случаев). Энтропия и информация. 1 из точек зрения гласит ч. пр-во информ. предст. соб. запоминанием случ-го выбора есть точка зрения, согл. к-й пр-во инф. закл-ся в отделение её от шума. Чем < вероятность, тем > инф. I=log2(р1/р), где I – кол-во инф. о событ, р1 – вероятн. событ. после проведения эксперемента, р – вероятн. о событии до провед-ся экспер-та р1=1 I=log2 (р1 /р) =log2(1/р)= - log2р Инф. в 1 dit –это инф. о событ. вер-сть к-со ½. Инф., поступ-я в с-му м. расход-ся на уменшение энтропии. Кол-во энергии расходуемое на с-з молек. белка, в расчете на 1 пептидную связь в 20 – 30 раз > кол-ва энергии, неох-мой для ощ-ния р-ций образ-я хим. связей. Избыток энергии расх-ся на получении инф. о послед-сти АК-х остатков. Энтропия с-мы – логорифм вероятности состояния системы. S=k ln W. Чем более вероятное состояние системы, тем > энтопия этого состояния. Самое вероятное состояние, хар-ся mах. энтропией. А.Б.Рубин: В биологии нах-т успешное применение методы хим. кинотики, математ-го моделирования, т., теор. инф. и синергетики, связан-е с выяснением мех-змов соорганизации с-м. Одним из важн-х св-в живых с-м явл. их способность поглащать и трансформир-ть энергию, используя её в метаболических процессах. Стало ясно, ч. метаболические проц. подчин-ся зак. сохранения энергии. Однако из рассмотрения этого зак. выпадает фактор времени согласно 2-му зак. Т. вводится величина, наз. энтропией, к.в изолирован. с-ме всегда возраст-т до своего знач. предостережения равновесия. Однако в открыт. с-ме в том числе и биологическое равновесное состояние означает фактические разрушение. 3 зак. Т. (теорема Нернета): энтропия мира стремится к нулю, когда темпер. мира стрем-сяк обсалютн. нулю.(S→0 при t→0) Свободная Е Гибса- часть внутр. Ес-мы, к-я м.б. построена на совершение полезной работы (график)
33 Уравнение Онзагера. Теорема Пригожина. В открытых биос-мах для поддержания сущ-ния этих с-м пост-но должны протекать процессы (метаболические процессы). С т. зр. термодин-ки любой процесс можно охарактеризовать в виде потока Ј (йот). Любой термодинамический поток вызывается соответствующей термодинамической силой Х – причина потока. Пример: термодинамический поток: 1) химическая р-я (превращение в-ва); 2) диффузия (перенос в-ва); 3) перенос тепла; 4) перенос заряженных частиц (эл. ток); термодинамическая сила: 1) разность хим. потенциалов (∆μ); 2) градиент конц-ии; 3) разность температур; 4) напряжение эл. потенциалов. Феноменологическое уравнение: термодинамический поток Ј пропорцианален термодинамической силе Х. Онзагер док-л, что величина термодинам потока прямопропорциональна термодин силе, его вызывающей: Ј = L * Х, где L – феноменологический коэффициент (коэф-т пропорциональности).В с-ме протекает і процессов, где і изменяется от 1 до n. Ј і = L і * Х і; Ј і = L іk * Х k; Ј k = L kі * Х і. Ур-ние Онзагера описывает любой процесс, протекающий в клетке. Согласно т-ме Онзагера феноменологические коэф-ты, связывающие одни и те же силы и одни и те же потоки, равны: L kі = L іk.– соотношение Онзагера. Любой поток можно вызвать любой термодин силой. Т-ма Пригожина. Пригожин ввел для рассмотрения с-м, не находящихся в сост-ии равновесия ф-ю, названную производством энтропии (диссипативная ф-я) σ. Производство энтропии σ – кол-во энтропии, производимое в единице объема с-мы в единицу времени за счет необратимых процессов, протекающих в с-ме. σ = Σ Ј і * Х і. Формулир-ка: если в с-ме действуют n независимых сил (n = 1, 2, …, j), из которых j сил поддерживается постоянными (силы под номерами 1, 2, …, j поддерживается постоянно) по величине, то все силы с номерами, больше j исчезнут при приближении с-мы в состояние с минимальным производством энтропии (стационарное сост-ие). Важное следствие т-мы Пригожина – открытые с-мы стремятся в сост-ие с минимальным производством энтропии. Открытые системы, в которых протекают необратимые процессы, стремятся в стационарное состояние, в котором диссипативная функция минимальна (σ ≥0). Следствие т-мы Пригожина – математическая форм-ка 2-го начала термодинамики для открытых с-м: σ ≥ 0. Т. о. в природе сущ-ет 2 вида с-м (структур):1) динамические; 2) диссипативные, которые могут сущ-ть пост-но, производя энтропию за счет протекания процессов, на поддержание которых необходим постоянный приток информации, энергии и в-ва из окружающей среды. Рассеивание поступающей из вне энергии обеспечивает поддержание таких структур. Неравновесное сост-ие открытой с-мы – диссипативная структура.
34 Дыхательная цепь. Теория Митчелла. Митохондрии содержатся в цитоплазме клетки и представляют собои микроскопические палочковидные образования. Внутреннее пространство мит. окружено 2 мембранами: наружная-гладкая,внутренняя–кристы(складки). В митохондриях сосредоточено большое количество ферментов. Наружная мембрана не содержит не одного из компонентов дых. цепи. Внутр. Мембрана – ферменты дых. цепи. С внутренней мембраной митохондрии связано аккумуляция части освобождающейся энергии. Клетка использует хим. тип энергии, хранящийся в виде хим. связей. В митохондриях энергия окисления субстратов используется для синтеза макроэргических связей, к-рые используются для окислительного фосфорилирования (на внутр. мембране митохондрий). В 1961 Питер Митчелл сформулировал хемио-осматическую гипотезу. Смысл гипотезы: в ходе окисления субстратов происходит генерация трансмембранного электро-хим. потенциала, связанного с возникновением протонного градиента на мембране. Далее этот протон. градиент используется для синтеза АТФ. В ходе окисления субстратов электроны переносятся на молекулу кислорода и она восстанавливается до молекулы воды. О2+4е=Н2О Поток электронов вдоль внутр. мембраны митохондрий создает градиент протонов через митохондриальную мембрану. Трансмембранный протонный градиент используется для синтеза АТФ АТФ-синтетазой. rрН – протондвижущая сила или протонный градиент. В электрон- транспорт. цепь, обеспечивающую возникновение протонного градиента входят 4 комплекса переноса заряда локализованных во внутр. мембране митохондрий и несколько низкомолекул. переносчиков электронов свободно диффундирующих в мембране. I - НАДН- убихинон-оксидредуктаза (электрон от НАДН окисляет в убихинон) Q – убихинон, II – сукцинат-убихинон оксидредуктазы (электрон от сукцината переносит на убихинон), III – убихинон цитохром С оксидредуктаза, IV- цитохром С кислород оксидредуктаза (электрон с цитохрома С переносят на О2) или цитохромоксидаза. АТФ-синтаза состоит из двух субъединиц (F0,F1) АДФ+Фн=АТФ. Электрон-транспорт. цепь работает практически без тепловых потерь. Электрохим. градиент создаваемый работой ЭТЦ равен rμн+ = F*φ+2,3RTrрН, где F – постоянная Фарадея, φ – электрический потенциал, R- универсал. газовая постоянная, rрН- протонный градиент. Электро-хим. потенциал – свободная энергия системы использующаяся для синтеза АТФ. В нек. бактериях для синтеза АТФ используется градиент ионов натрия. Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями. При окислении НАДН + Н+ комплекс I переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на убихинон. Образующиеся при окислении сукцината, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II или другой митохондриальной дегидрогеназой через связанный с ферментом ФАДН2 или флавопротеин. При этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в ароматический убигидрохинон. Последний переносит электроны в комплекс III, который поставляет их через два гема b, один Fe/S-центр и гем с1 на небольшой гемсодержащий белок цитохром с. Последний переносит электроны к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. Цитохром с-оксидаза содержит для осуществления окислительно-восстановительных реакций два медьсодержащих центра (CuA и CuB) и гемы а и а3, через которые электроны, наконец, поступают к кислороду. При восстановлении О2 образуется сильный основной анион О2-, который связывает два протона и переходит а воду. Поток электронов сопряжен с образованным комплексами I, III и IV протонным градиентом. 35-36. Абсорбционная спектроскопия. Спектр поглощения. Закон Бугера-Ламберта-Бэра. Спектральные методы широко применяются для изучения разнообразных свойств и реакций биологических систем и макромолекул. Среди спектральных методов наибольшее распространение получили оптические методы, основанные на взаимодействии молекулярных систем с оптическим излучением. Основные параметры светового излучения: -длина волны λ (нм) и частота излучения ν (Гц), связанные соотношением ν = с/λ (с - скорость света), -энергия кванта света Е = ħ∙ν (ħ – постоянная Планка), - интенсивность излучения I = n∙E (n- число квантов в световом потоке). Энергия квантов света в видимой области, вызывающих фотобиологические реакции, составляет 170-340 кДж/моль. Оптический диапазон длин волн включает ультрафиолетовое (200-400 нм), видимое (400- 800 нм), инфракрасное (800-10000 нм) излучение. Поглощение света веществом – внутримолекулярный одноэлектронный физический процесс. Свет поглощается молекулами (их комплексами, отдельными атомами, ионами, радикалами), при этом электрон переходит из основного в энергетически более высокое возбужденное состояние. В электронных переходах участвуют валентные или оптические электроны, располагающиеся на внешней электронной оболочке. Каждый электронный уровень представляет набор колебательных и вращательных подуровней, переходы между которыми связаны с энергией колебательных и вращательных движений атомов вокруг химических связей. Квантовая природа света выражается в том, что вся энергия кванта света поглощается сразу за время 10-15- 10-14с, поглощение света – процесс дискретный. Физическая реакция поглощения света может быть записана в следующем виде: М + ħ∙ν→ М٭, где М٭ – возбужденное состояние молекулы, отличающееся от основного состояния в первую очередь дополнительным запасом энергии и формой электронного облака. Свет представляет электромагнитную волну, при взаимодействии с веществом свет ведет себя подобно потоку частиц (квантов света или фотонов). Энергия фотонов определяется длиной волны излучения. Поглощение света происх-т только электронами, находящимися на внешней эл оболочке (оптическими/валентными). Из квантов света с различными энергиями могут поглощаться только те, энергия которых соответствует энергии переходов между какой-либо парой уровней в молекуле вещества. Способность молекул поглощать свет лежит в основе спектрофотометрии. Поглощение света проявляется в ослаблении светового потока после прохождения через исследуемый объект, и оно тем больше, чем выше концентрация вещества (с, моль∙л –1), толщина раствора (1, см), способность вещества к поглощению. Для монохроматического света эти закономерности выражаются законом Бугера — Ламберта — Бера: Д=lg∙I0/I = εcl, где D — так называемая оптическая плотность образца, I0 и I — интенсивности падающего и прошедшего через раствор вещества света. Величину ε (моль-1 л см-1) называют молярным коэффициентом экстинкции. КМЭ численно равен оптической плотности раствора концентрации 1 моль/л. Пользуясь законом БЛБ можно оппппределить концентрацию. Электронные спектры поглощения возникают в результате переходов электронов в возбужденные состояния и наблюдаются в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях (120-1000 нм). Энергии переходов составляют 1000-120 кДж/моль (240-30 ккал/моль). При поглощении такой энергии одновременно происходит изменение в колебательных и вращательных состояниях, вследствие чего электронные спектры состоят из широких полос. Интенсивность полос поглощения определяется вероятностью перехода молекул из основного в возбужденное состояние. Спектр поглощения представляет зависимость вероятности поглощения от длины волны (или частоты) света. Помимо величины оптической плотности Д вещества используют величину пропускания Т=I/I0. Из определения оптической плотности видно, что Д=lg ∙1/Т. Спектр поглощения вещества зависит от химической природы вещества, его состояния, характера окружения, температуры. Измерения электронных спектров поглощения позволяют делать заключение о характере исследуемого вещества, структуре и свойствах его молекул и т.д. Если в исследуемом объеме находится несколько веществ (при отсутствии взаимодействия между ними), то для оптической плотности выполняется закон аддитивности для каждой длины волны: ДАВ=ДА+ДВ, где ДАВ –оптическая плотность смеси веществ А и В при данной длине волны.
|
