Последовательный процесс поиска модели

ОГЛАВЛЕНИЕ

Часть1. (5 семестр. 19 занятий по 2 академических часа. Итоговые занятия: 7, 13, 19)

1. .: Введение в биофизику. Моделирование процессов________ 7

2. .: Пространственная организация биополимеров. Классификация структур биополимеров 9

3. .: Пространственная структура белков и определяющие ее силы_______________ 11

4. .: Пространственная организация белков. Сворачиваемость белков_____________ 13

5. .: Ферментативный катализ. Взаимодействие биомакромолекул с лигандами. Фермент-субстратные взаимодействия_________________________ 14

6. .: Ферментативный катализ. Аллостерические эффекты. Кооперативность____ 16

7. Итоговое занятие: Структура и свойства биомакромолекул___ 18

8. .: Спектральные методы исследования макромолекул. Абсорбционная спектрофотометрия_____ 20

9. .: Спектральные методы исследования макромолекул. Флуоресцентные методы_______________ 21

10. .: Перенос электрона и миграция энергии в биосис.х___ 23

11. .: Метод электронного парамагнитного резонанса в исследованиях свойств биосистем__ 24

12. .: Метод ядерного магнитного резонанса в исследованиях свойств биосистем___________________ 26

13. .: Итоговое занятие: Физические методы исследования биомакромолекул_________________ 29

14. .: Динамические модели биологических процессов___________ 34

15. .: Процессы самоорганизации в распределенных биологических сис.х.______________________ 36

16. .: Термодинамика биологических процессов._________________ 37

17. Итоговое занятие: биофизика сложных систем.______________ 39

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цель настоящего пособия – обеспечение единства учебного процесса при изучении

Пособие составлено в соответствии с государственным стандартом, утвержденным примерным планом дисциплины и рабочей программой по биофизике, утвержденной в 2005 г.

Целью преподавания Общей и медицинской биофизики на медико-биологическом факультете является подготовка специалистов, владеющих теоретическими и практическими знаниями основных разделов биофизики в соответствии с их квалификационной характеристикой, и дающих возможность выпускнику медико-биологического факультета по специальности 60112 – Медицинская биохимия вести самостоятельную научную работу в области биохимии

Биофизика изучается студентами третьего и четвертого курсов медико–биологического факультета (V – VII семестры) после получения исходных базовых знаний по химии, математике, физике, биологии, морфологии, физиологии, а также философии.

Биофизика является интегративной фундаментальной наукой в системе медико – биологического образования, изучающая физические свойства биологических объектов, лежащие в основе функционирования живых организмов, с использованием методов теоретической и экспериментальной физики, трансформированными с учетом особенностей биологических объектов.

Биофизика – центральная профилирующая дисциплина, синтезирующая совокупность ранее полученных знаний, которая вместе с другими дисциплинами медико – биологического (общая патология, микробиология, вирусология, иммунология, биохимия, фармакология, медицинская генетика), клинического (хирургия, терапия, неврология, педиатрия) и прикладного профиля (вычислительная техника, медицинская электроника) открывает возможность для самостоятельной работы в области исследования природы и механизмов развития патологических процессов, для совершенствования существующих и разработки новых методов диагностики, а также современных медицинских технологий.

Часть1.

5 семестр.

19 занятий по 2 академических часа.

Итоговые занятия: 7, 13, 19

ЗАНЯТИЕ № 1

ТЕМА: Введение в биофизику. Моделирование процессов

Цель: Повторить материал по физике, химии и математике, необходимые для изучения биофизики. Получить представление о методологии и основных методах и разделах биофизики

Вопросы для аудиторной работы:

1. Биофизика как наука и как учебная дисциплина.

2. История развития биофизики и место биофизики в системе биологических наук.

3. Основные разделы биофизики.

4. Методы, используемые в биофизике.

5. Моделирование как один из основных методов биофизики.

6. Основные этапы моделирования.

7. Классификация моделей, требования к ним.

Последовательный процесс поиска модели

		Проверка согласия между моделью и данными (верификация модели)
		3
Планирование эксперимента по уточнению модели		Обработка экспериментальных данных. Поиск оценок параметров (идентификация)		Планирование эксперимента по уточнению параметров
		2
		Выбор базовой модели. Качественное исследование
		1
		Эксперимент

Вопросы для рассмотрения на занятии:

8. Биофизика как наука и как учебная дисциплина.

9. История развития биофизики и место биофизики в системе биологических наук.

10. Основные разделы биофизики.

11. Методы, используемые в биофизике.

12. Моделирование как один из основных методов биофизики.

13. Основные этапы моделирования.

Самостоятельная работа

Заполнить таблицу «Методы, применяемые для определения молекулярного веса и размеров макромолекул и частиц»

Метод	Принцип метода	Краткое описание	Оборудование	Примеры применения

Литература

· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, стр. 3-7, 163-180 (Глава 8)

· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, стр. 3-7, 88-95

· Рубин А.Б. Биофизика. Т 1. – М., 2000, стр. 16-25

Дополнительная литература

· Рубин А.Б. Современные методы биофизических исследований. Практикум по биофизике. – М., 1988, стр. 283-307 (Глава 8)

· Рубин А.Б. Лекции по биофизике. Лекция 5. Математические модели в экологии

Рекомендуемая дополнительная литература для самостоятельной работы

· Скоупс Р. Методы очистки белков. – М., 1985, стр. 10-33, стр. 197-225

· Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. – «Мир»: М., 1980.

ЗАНЯТИЕ № 2

ТЕМА: Пространственная организация биополимеров. Классификация структур биополимеров

Цель: Сформировать представление о возможных формах пространственной организации биополимеров и их свойствах, характеристиках. Изучить условия существования различных форм и переходов между ними

Каждое макросостояние полимера характеризуется определенными значениями молекулярных параметров и может быть реализовано большим количеством микросвязей, составляющих полимерную цепь атомов, должны приводить к значительной свернутости цепи и образованию клубка. Такой клубок обладает целым набором большего числа конформаций, которые цепь может принимать в процессе микроброуновского движения ее частей. Здесь употребляется термин «конформация» в «микросмысле». Он означает определенное с точностью до амплитуд валентных колебаний расположение атомов в полимере. Ясно, что взаимозависимость такого движения звеньев будет наиболее сильно проявляться у соседних звеньев и ослабляться по мере увеличения расстояния между ними.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Модель свободно-сочлененной цепи. Размер клубка.

2. Упругость клубка. Природа сил.

3. Размеры клубка в цепях с фиксированным валентным углом. Персистентная длина.

4. Плотность звеньев в клубке. Радиус корреляции.

5. Энергия взаимодействия звеньев. Вириальные коэффициенты.

6. Зависимость энергии клубка и глобулы от плотности звеньев.

7. Условия существования глобулы и клубка. Различия размеров и радиуса корреляции.

8. «Хороший и плохой» растворители. Набухание макромолекул.

9. Фазовые переходы в белках. Энтальпия и энтропия перехода.

10. Структурные изменения в белках. Расплавленная глобула.

Самостоятельная работа

Нарисуйте профили распределения плотности звеньев (n) в глобуле (1) и в клубке (2):

n

n₀

R r

Повторите материал из курса физической химии (энергия Гиббса, энтропия, энтальпия, теплоемкость, теплосодержание).

1. Основные понятия биоэнергетики: системы и объекты, сила, работа, энергия.

2. Осмотическое давление и осмотическая работа.

3. Электрическая энергия иона в растворе. Электрическая работа при переносе ионов через мембрану.

4. Электрохимический потенциал ионов.

5. Термодинамическая вероятность и энтропия.

6. Внутренняя энергия и теплосодержание.

7. Обобщенное уравнение первого и второго закона.

8. Электрохимический потенциал ионов.

9. Связь константы равновесия с изменением свободной энергии.

10. Температурная зависимость равновесия (Уравнение Гиббса). Рассмотрите вопрос на примере растворения бензола в воде.

Литература

· Рубин А.Б. Биофизика. Т 1. – М., 2000, стр. 167-182 (глава 7)

· Биофизика: Учебник / Под ред.Ю.А.Владимирова. - М: Медицина, 1983. - 272 с.:ил

Дополнительная литература

· Рубин А.Б. Лекции по биофизике. Лекция 8. Физико-химические принципы строения биополимеров

Рекомендуемая дополнительная литература для самостоятельной работы

· Бирштейн Т.М. Конформации макромолекул// СОЖ, №11, 1996, стр. 26-29

· Владимиров Ю.А. Лекции по биологической и медицинской биофизике: Работа и энергия

ЗАНЯТИЕ № 3

ТЕМА: Пространственная структура белков и определяющие ее силы

Цель: Изучить природу сил, определяющих пространственную структуру белков

Первичная структура, или основная последовательность звеньев полимерной цепи определяется химическими или валентными взаимодействиями. Помимо этого, между молекулами действуют также слабые невалентные силы, которые приводят к притяжению на больших и к отталкиванию – на малых расстояниях.

Взаимодействия между атомами в пределах одного аминокислотного остатка определяется вкладом трех составляющих: дисперсионными (силы Лондона), электростатическими (диполь-дипольными) взаимодействиями и торсионными силами. К взаимодействиям между атомами, принадлежащими разным аминокислотным остаткам причисляют: водородные связи, гидрофобные, ионные взаимодействия, дисульфидные химические связи. Первые два типа относят как к взаимодействию соседних, так и отдаленныхаминокислотных остатков; третье и четвертое – только к остаткам, расположенным в разных участках одной и той же или двух разных полипептидных цепей.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Типы взаимодействий в макромолекулах.

· Взаимодействия Ван-дер-Ваальса (ориентационные, индукционные, дисперсионные).

· Потенциалы взаимодействия, равновесные и минимальные расстояния для пар атомов.

· Водородные связи. Энтальпия и энтропия связи в вакууме и водной среде.

· Электростатические взаимодействия.

· Торсионный потенциал. Поворотная изомерия. (реферат)

2. Гидрофобные взаимодействия. Структура льда и воды. Неполярные молекулы в воде.

3. Углы внутреннего вращения полипептидной цепи. Особенности пептидной связи.

4. Стерические контурные диаграммы Рамачандрана.

5. Энергетические контурные диаграммы.

Самостоятельная работа

· Нековалентные взаимодействия между атомами. Их природа и сила.

· Дипольные взаимодействия. Что это такое и как их можно рассчитать?

· Что такое собственный торсионный потенциал? Конформационная энергия пептидного остатка.

· Перечислите основные виды взаимодействий (1) между соседними атомами в полипептидной цепи и (2) между группами, принадлежащим разным аминокислотным остаткам в полипептидной цепи.

· Водородная связь. Ее роль в формировании структуры белка.

· Особенности структуры воды и ее свойства.

· Что происходит при растворении в воде неполярных молекул?

· Энергия перехода неполярных молекул из гидрофобной в водную фазу.

· Как можно количественно выразить гидрофобность данного вещества?

· Вокруг каких связей в полипептидной цепи происходит вращение?

· Что такое торсионные углы в пептидном звене. Как они обозначаются?

· Расскажите о стерических контурных диаграммах Рамачандрана.

· Энергетические контурные диаграммы. Сравнение контурных диаграмм с данными рентгеноструктурного анализа.

Литература

· Рубин А.Б. Биофизика. Т 1. – М., 2000, стр. 183-197, 198-205

· Биофизика: Учебник / Под ред.Ю.А.Владимирова. - М: Медицина, 1983. - 272 с.:ил

Рекомендуемая дополнительная литература для самостоятельной работы

· Финкельштейн А.В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 (Лекция 2-6)

· Волькенштеин М.В. Биофизика. – М., 1988, стр. 88-108

· Шайтан К.В. Конформационная подвижность белка с точки зрения физики // СОЖ, №5, 1999, стр. 8-13

· Лаврик О.И. Механизмы специфического отбора аминокислот в биосинтезе белка // СОЖ, №4, 1996, стр. 18-23

· Наберухин Ю.И. Загадки воды // СОЖ, №5, 1996, стр. 41-48

ЗАНЯТИЕ № 4

ТЕМА: Пространственная организация белков. Сворачиваемость белков

Цель: Изучить основные механизмы образования структурных элементов белков различной пространственной организации. Ознакомиться с проблемами, связанными с возможностью самосборки белка

В классических работах Л. Полинга и Р.Б. Кори были сформултрованы принципы образования структуры регулярной полипептидной цепи.

(1) Длины связей и валентные углы всех пептидных групп одинаковы.

(2) Полипептидная цепь должна быть максимально насыщена водородными связями.

(3) Конформационные состояния всех звеньев полипептидной цепи являются эквивалентными.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Стерические ограничения углов вращения в аминокислотах. Полностью свободные и напряженные конформации.

· Ограничения в цепях полиглицина.

· Ограничения в цепях полиаланина.

· Ограничения в цепях полипролина.

2. Регулярные структуры полипептидной цепи. Стерические ограничения.

· Спиральные структуры. Правая альфа-спираль. Условия стабилизации. Энергия инициации. Переходы клубок-спираль.

· Бета-структуры. Условия стабилизации.

· Структура полипролина и стабилизирующие ее силы.

3. Причины существования повторяющихся фрагментов в полипептидных цепях.

4. Особенности строения фибриллярных, мембранных и глобулярных белков.

5. Проблемы самоорганизации пространственной структуры белков.

Литература

· Финкельштейн А.В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000

· Рубин А.Б. Биофизика. Т 1.- М., 2000, стр. 183-197, 198-205

ЗАНЯТИЕ № 5

ТЕМА: Ферментативный катализ. Взаимодействие биомакромолекул с лигандами. Фермент-субстратные взаимодействия

Цель: Изучить механизмы ферментативного катализа для одно- и многосубстратных реакций

Ферментативные процессы играют ключевую роль в клеточном метаболизме, а, следовательно, их кинетика должна иметь основное значение в динамике клеточных процессов. В реальных условиях клеточного метаболизма концентрация субстрата, потребляемого в ферментативных реакциях, изменяется не только в результате самой реакции, но и за счет притока его в реакционный объем. Одновременно происходит и отток продукта из сферы реакции в другие области, где он используется в дальнейших метаболических превращениях. Иными словами, в клетке каждая отдельная реакция. Так же как и их совокупность, представляют собой открытую систему, обладающую механизмами саморегуляции. Одним из самых мощных способов регуляции ферментативного процесса является изменение активности фермента с помощью различных ингибиторов.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Односубстратные реакции.

· Механизм реакций при термодинамическом равновесии фермент-субстратного комплекса и свободных фермента и субстрата. Уравнение: смысл параметров.

· Кинетика реакций в условиях стационарности. Уравнение: смысл параметров.

· Кинетика реакций с образованием промежуточных соединений.

· Графические представления уравнения Михаэлиса-Ментен. Недостатки и достоинства.

2. Ингибирование.

· Механизм конкурентного ингибирования.

· Механизм неконкурентного, бесконкурентного и смешанного ингибирования.

· Непродуктивное связывание.

· Специфичности при конкурирующих субстратах.

· Равновесие в ферментативных реакциях и в растворе.

· Влияние избытка субстрата.

· Суицидальные субстраты.

3. Мультисубстратные реакции.

· Неупорядоченный и упорядоченный последовательный механизм. Механизм Теорела –Чанса.

· Механизм с замещением фермента.

Самостоятельная работа

Преобразуйте уравнение Михаэлиса-Ментен в линейное уравнение (y=kx+b) для построения графиков Эдди-Хофсти.

Литература

· Фершт Э. Структура и механизм действия ферментов.- М., 1980, стр. 109-129, (глава 3), стр. 252-271, (глава 8)

· Рубин А.Б. Лекции по биофизике. Лекция 3. Кинетика ферментативных реакций

ЗАНЯТИЕ № 6

ТЕМА: Ферментативный катализ. Аллостерические эффекты. Кооперативность

Цель: Изучить механизмы аллостерической регуляции в олигомерных белках

Молекулы многих белков состоят из субъединиц и имеют несколько центров связывания лигандов. В ряде случаев кривые связывания лигандов не следуют уравнению Михаэлиса-Ментен, а имеют сигмоидный характер. Такие кривые характерны для случая кооперативного связывания лигандов белками, имеющими несколько центров связывания в белковом олигомере.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Аллостерические эффекты и кооперативность.

· Механизм аллостерической регуляции.

· Модели кооперативности.

· Количественный анализ кооперативности.

2. Модели ферментативных процессов.

· Термодинамика ферментативного катализа.

· Модели ферментативного катализа. Проблема снижения активационного барьера.

· Конформационно-релаксационная концепция ферментативного катализа.

Самостоятельная работа

1. Стационарные состояния. Критерии устойчивости стационарного состояния.

2. Критерии устойчивости стационарных состояний для функций двух переменных (модель Лотки). Понятие об «узле», «фокусе», «седле».

3. Критерии устойчивости стационарных состояний вблизи состояния термодинамического равновесия. Соотношения Онзагера.

4. Критерии устойчивости стационарных состояний вблизи состояния термодинамического равновесия. Теорема Пригожина.

Контрольная работа:

1. Механизм реакций при термодинамическом равновесии фермент-субстратного комплекса и свободных фермента и субстрата. Уравнение: смысл параметров.

2. Кинетика реакций в условиях стационарности. Уравнение: смысл параметров.

3. Кинетика реакций с образованием промежуточных соединений.

4. Графические представления уравнения Михаэлиса-Ментен. Недостатки и достоинства.

5. Механизм конкурентного ингибирования.

6. Механизм неконкурентного, бесконкурентного и смешанного ингибирования.

7. Непродуктивное связывание.

8. Специфичности при конкурирующих субстратах.

9. Равновесие в ферментативных реакциях и в растворе.

10. Влияние избытка субстрата.

11. Суицидальные субстраты.

12. Неупорядоченный и упорядоченный последовательный механизм. Механизм Теорела –Чанса.

13. Механизм с замещением фермента.

14. Механизм аллостерической регуляции.

15. Модели кооперативности.

16. Количественный анализ кооперативности.

17. Термодинамика ферментативного катализа.

18. Модели ферментативного катализа. Проблема снижения активационного барьера.

19. Конформационно-релаксационная концепция ферментативного катализа.

20. Стационарные состояния. Критерии устойчивости стационарного состояния.

21. Критерии устойчивости стационарных состояний для функций двух переменных (модель Лотки). Понятие об «узле», «фокусе», «седле».

22. Критерии устойчивости стационарных состояний вблизи состояния термодинамического равновесия. Соотношения Онзагера.

23. Критерии устойчивости стационарных состояний вблизи состояния термодинамического равновесия. Теорема Пригожина.

Литература

· Фершт Э. Структура и механизм действия ферментов.- М., 1980, стр. 109-129, (глава 3), стр. 252-271, (глава 8)

ЗАНЯТИЕ № 7

Итоговое занятие: Структура и свойства биомакромолекул

Контрольные вопросы:

1. Биофизика как наука. Разделы биофизики.

2. Моделирование как один из основных методов биофизики.

3. Основные этапы моделирования.

4. Принципы методов определения молекулярной массы.

5. Понятие о физических методах, которые используются для определения размера и формы частиц.

6. Какие факторы определяют скорость движения молекулы при ультрацентрифугировании. Характер зависимости.

7. Какие факторы определяют скорость движения молекулы при электрофорезе. Характер зависимости.

8. Теоретические основы гель-хроматографии. Выбор адекватного носителя для определения молекулярной массы.

9. Методика определения молекулярной массы с помощью гель-хроматографии.

10. Основные понятия биоэнергетики: системы и объекты, сила, работа, энергия.

11. Осмотическое давление и осмотическая работа.

12. Электрическая энергия иона в растворе. Электрическая работа при переносе ионов через мембрану.

13. Электрохимический потенциал ионов.

14. Термодинамическая вероятность и энтропия.

15. Внутренняя энергия и теплосодержание.

16. Обобщенное уравнение первого и второго закона.

17. Электрохимический потенциал ионов.

18. Связь константы равновесия с изменением свободной энергии.

19. При каких условиях полимерные цепи существуют в виде клубка?

20. Размер клубка.

21. Упругие свойства клубка.

22. Условия образования глобулы.

23. Размер глобулы.

24. Зависимость энергии клубка и глобулы от плотности звеньев.

25. Фазовые переходы глобула клубок.

26. Вокруг каких связей в полипептидной цепи происходит вращение?

27. Что такое торсионные углы в пептидном звене. Как они обозначаются?

28. Расскажите о стерических контурных диаграммах Рамачандрана.

29. Нековалентные взаимодействия между атомами. Их природа и сила.

30. Дипольные взаимодействия. Что это такое и как их можно рассчитать?

31. Что такое собственный торсионный потенциал? Конформационная энергия пептидного остатка.

32. Энергетические контурные диаграммы. Сравнение контурных диаграмм с данными рентгеноструктурного анализа.

33. Перечислите основные виды взаимодействий (1) между соседними атомами в полипептидной цепи и (2) между группами, принадлежащим разным аминокислотным остаткам в полипептидной цепи.

34. Водородная связь. Ее роль в формировании структуры белка.

35. Особенности структуры воды и ее свойства.

36. Что происходит при растворении в воде неполярных молекул?

37. Энергия перехода неполярных молекул из гидрофобной в водную фазу.

ЗАНЯТИЕ № 8

ТЕМА: Спектральные методы исследования макромолекул. Абсорбционная спектрофотометрия

Цель: Изучить наиболее общие закономерности взаимодействия электромагнитного излучения и вещества.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Общие закономерности взаимодействия электромагнитного излучения и вещества. Рассеяние и поглощение энергии. Диапазоны спектра, которые используются для изучения свойств биомакромолекул. Естественная ширина линии.

2. Взаимодействие УФ-излучения и видимого света с веществом. Особенности молекулярных спектров. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Молярный коэффициент поглощения. Аддитивность оптической плотности.

3. Спектры поглощения аминокислот, пептидов и нуклеиновых кислот. Переходы сигма-сигма, пи-пи, эн-пи. Гипохромный и гиперхромный эффекты в спектрах поглощения белков и нуклеиновых кислот.

4. Отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера. Влияние мутности раствора.

5. Спектры поглощения биологически важных молекул (НАД, НАДФ, рибофлавин, гемоглобин и цитохромы).

6. Способы регистрации молекулярных спектров поглощения. Дифференциальная и производная спектрофотометрия. Устройство одно- и двулучевых спектрофотометров.

Литература

· Владимиров Ю.А. Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М., 1989, стр. 7-27 (Глава 1)

· Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. – М., 1980, стр. 383-414 (Глава 14)

· Рубин А.Б. Современные методы биофизических исследований. Практикум по биофизике. – М., 1988, стр. 6-19 (Глава 1)

ЗАНЯТИЕ № 9

ТЕМА: Спектральные методы исследования макромолекул. Флуоресцентные методы

Цель: Изучить базовые принципы люминесцентного анализа. Изучить возможности метода для исследования свойств биополимеров

В случаях некоторых молекул поглощение фотона сопровождается испусканием света (флуоресценцией) с большей длиной волны. Подобно спектрам поглощения, спектры люминесценции (флуоресценции) сложных молекул размыты и лишены тонких деталей. Информативными оказываются интенсивность, поляризация и длительность свечения.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Энергия возбужденного состояния. Пути растраты энергии. Синглетное и триплетное состояние. Интеркомбинационная конверсия.

2. Время жизни возбужденного состояния. Времена жизни синглетных и триплетных состояний.

3. Квантовый выход флуоресценции. Факторы, определяющие интенсивность флуоресценции. Внутреннее и внешнее экранирование.

4. Температурная зависимость квантового выхода флуоресценции. Эффект Шпольского.

5. Спектры возбуждения и испускания флуоресценции. Стоксов сдвиг при флуоресценции и фосфоресценции.

6. Тушение флуоресценции. Уравнение Штерна-Фольмера.

7. Флуоресценция субстратов и коферментов.

8. Собственная флуоресценция аминокислот. Зависимость характеристик спектров испускания от окружения.

9. Собственная флуоресценция белков. Зависимость характеристик флуоресценции от состояния белка.

10. Флуоресцентные зонды и метки. Основные принципы их использования при изучении свойств биомакромолекул.

11. Поляризация флуоресценции. Формула Яблонского-Перрена.

12. Способы регистрации спектров флуоресценции. Функциональная схема спектрофлуориметра.

Самостоятельная работа

1. Для определения доступности триптофановых остатков растворителю можно использовать тушение триптофановой флуоресценции иодид-ионами. Известно, что белок содержит только один триптофан, флуоресценция которого не тушится иодид-ионами. Каковы возможные объяснения отсутствия тушения? Известно, что белок содержит восемь триптофановых остатков и иодид-ионы тушат 25% флуоресценции. Напрашивается предположение, что два триптофановых остатка доступны растворителю. Укажите несколько фактов, которые могли бы сделать это заключение необоснованным.

2. Когда образуются эксимеры, их спектр возбуждения совпадает со спектром мономера, потому что мономер возбуждается до димеризации. Если присутствует много димеров и димер возбуждается, можно ли ожидать, что спектр возбуждения будет соответствовать спектру поглощения мономера? Поясните.

3. Интенсивность флуоресценции понижается вследствие тушения иодид-ионом. Можно ли ожидать также изменения формы спектров возбуждения и испускания?

4. Дайте описание нескольких возможных механизмов возрастания квантового выхода флуоресцентного хромофора при связывании с ним другой молекулы. Почему иногда могут быть сдвиги спектров возбуждения (или испускания) или обоих вместе?. Происходит ли сдвиг в сторону длинных или коротких волн?

5. Всегда ли спектр возбуждения флуоресцирующего хромофора такой же, как спектр поглощения? Поясните.

6. Белок, содержащий десять триптофановых остатков, имеет сильную триптофановую флуоресценцию. Маленькая молекула, способная прочно связываться с белком, фактически не изменяет его флуоресценции, хотя известно, что в участке связывания имеется два триптофановых остатка. Дайте несколько возможных объяснений этому.

7. Флуоресценцирующий хромофор ковалентно присоединен к белку. Измерена поляризация флуоресценции в зависимости от ионной силы буфера, в котором суспендирован белок: найдено, что она заметно уменьшается по мере возрастания ионной силы. Как влияет на белок возрастание ионной силы?

Литература

· Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. – М., 1980, стр. 415-449 (Глава 15)

· Владимиров Ю.А. Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М., 1989, стр. 27-69 (Глава 2)

· Рубин А.Б. Современные методы биофизических исследований. Практикум по биофизике. – М., 1988, стр. 98-110

· Губанов Н.И. Медицинская биофизика. – М., 1978, стр. 79-88

· Волькенштеин М.В. Биофизика. – М., 1988, стр. 144-148

· Рощупкин Д.И., Артюхов В.Г. Основы фотобиофизики. – Воронеж, 1997, стр. 19-34 (Глава 2,3)

ЗАНЯТИЕ № 10

ТЕМА: Перенос электрона и миграция энергии в биосистемах

Цель: Изучить физические механизмы процессов переноса электрона и безызлучательной миграции энергии и их роль в биологических процессах

Перенос энергии электронного возбуждения между двумя молекулами можно представить в виде схемы: D* + A → D + A*. Перенос энергии между одинаковыми молекулами называют миграцией энергией.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Значимость процессов переноса электрона и миграции энергии для биологических систем.

2. Перенос электрона в двухуровневой системе. Обратимость процесса. Условия обеспечения необратимости процесса переноса электрона.

3. Туннелирование электронов и ядер. Электронно-колебательные взаимодействия при туннелировании электрона.

4. Проводимость белков. Модели проводимости белков.

5. Индуктивно-резонансный перенос энергии электронного возбуждения. Механизм Фёрстера. Расстояния переноса. «Флуоресцентная линейка».

6. Обменно-резонансный перенос энергии. Возможность переноса в системах триплет-триплет, синглет-синглет, синглет-триплет. Расстояния переноса.

7. Экситонный механизм миграции энергии.

8. Динамика электронно-конформационных взаимодействий. Связь конформационной энергии с переносом электрона.

Самостоятельная работа

1. Перенос электрона в процессе фотосинтеза.

2. Использование явления переноса энергии в изучении структуры биологических мембран.

Литература

· Владимиров Ю.А. Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М., 1989, стр. 70-81 (Глава 3)

· Рубин А.Б. Биофизика. Т 1. – М., 2000, стр. 372-418

ЗАНЯТИЕ № 11

ТЕМА: Метод электронного парамагнитного резонанса в исследованиях свойств биосистем

Цель: Изучить принцип метода ЭПР и возможности его применения в медико-биологических исследованиях

Явление ЭПР заключается в том, что парамагнитные частицы, помещенные в постоянное магнитное поле, поглощают микроволновое электромагнитное излучение определенной (резонансной) частоты.

Электрон обладает магнитным моментом, ориентация которого во внешнем магнитном поле характеризуется спиновым квантовым числом M_S=±¹/₂. Условия резонанса обычно выражают в виде

ΔE=hv=gβH,

где g – безразмерная постоянная, называемая фактором Ланде и равная 2,0023 (g-фактор это отношение магнитного момента электрона к его спиновому угловому моменту), а β – магнетон Бора, равный eh/2πmc.

Аппаратурные особенности спектрометров ЭПР (в поле 3400 Гс на частоте 9,5 ГГц) обычно приводят к тому, что регистрируется первая производная линий поглощения.

В большинстве молекул, согласно принципу Паули, электроны образуют пары с противоположно направленными спинами. Поэтому с такими молекулами наблюдать ЭПР не удается. Лишь немногие молекулы (O₂, NO, NO₂) содержат один или несколько неспаренных электронов в своем основном состоянии и для всех таких молекул наблюдается спектр ЭПР.

Сверхтонкое расщепление возникает при наличии магнитного взаимодействия между неспаренным электроном и ядром. Расстояние между линиями сверхтонкой структуры дает константу сверхтонкого взаимодействия.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Принцип метода ЭПР. Механический и магнитный моменты электрона. Магнетон Бора.

2. Эффект Зеемана. Основное уравнение резонанса. G-фактор.

3. Характеристики спектров ЭПР: амплитуда, форма линии, ширина линии.

4. Времена продольной и поперечной релаксации (T₁, T₂).

5. Расщепление линий. Сверхтонкая структура спектров ЭПР.

6. Устройство радиоспектрометра ЭПР.

7. Зависимость характеристик спектра ЭПР от параметров среды.

8. Применение ЭПР в медико-биологических исследованиях.

· Естественные сигналы ЭПР, наблюдаемые в биологических системах.

· Метод спиновых меток и зондов.

· Метод спиновых ловушек.

Самостоятельная работа

1. Для регистрации спектров ЭПР ферродоксинов, цитохромов, пластоцианов приходится проводить измерение при достаточно низких температурах (вплоть до 4-20 К). Почему?

2. Измеряя интенсивность радиационно-индуцированного сигнала ЭПР, можно определить дозу ионизирующего излучения, поглощенного организмом (человеком) в течении всей его жизни. Предположите месторасположение такого стабильного радиационно-индуцированного парамагнитного центра.

3. С помощью спиновых меток было показано, что липидные мембраны имеют неоднородный профиль «жесткости». Как? Какой?

4. Как с помощью спиновых меток можно узнать о том, что в цитоплазматической мембране появились дефекты (разрывы, поры)?

Литература

· Блюменфельд Л.А. Тихонов А.Н. Электронный парамагнитный резонанс // СОЖ, №9, 1997, стр. 91-99

· Тихонов А.Н. Электронный парамагнитный резонанс в биологии // СОЖ, №11, 1997, стр. 8-15

· Тихонов А.Н. Спиновые метки // СОЖ, №1, 1998, стр. 8-15

· Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам. – М., 1980, стр. 208-210

· Ингрем Д. Электронный парамагнитный резонанс в биологии. – М., 1972

ЗАНЯТИЕ № 12

ТЕМА: Метод ядерного магнитного резонанса в исследованиях свойств биосистем

Цель: Изучить принцип метода ЯМР и возможности его применения в медико-биологических исследованиях