Биофизика – область науки, изучающая физические и физико-химические явления зарождения, формирования, жизнедеятельность, воспроизведение жизни на всех уровнях, начиная с молекул, клеток, органов и тканей, заканчивая организмами и биосферы в целом.
Биофизика – наука, изучающая физические и физико-химические закономерности в жизнедеятельности растительных и животных организмов, системную организацию процессов жизнедеятельности на всех уровнях (клетка, ткань, органы, организмы, биосфера), а также механизм действия физических факторов на организмы. Сначала Б. развивалась как часть физиологии, и только в 20 веке, благодаря достижениям физики и физической химии, с одной стороны, и физиологии, а с другой, она выделилась в самостоятельную науку. В 18 в. М. В. Ломоносов, исходя из представлений о химической связи раздражительных молекул материи с молекулярными и эфирными структурами нервов, описал механизм раздражений в чувствительным нервам и распространения возбуждения в нервах, а также объяснил, как возникает чувство вкуса и обоняния. Итальянский физиолог Л. Гальвани (1791) положил начало електробиологии, доказав, что в живых тканях есть электричество. В 19 в. немецкий физиолог Г. Гельмгольц определил скорость распространения процессов возбуждения вдоль нерва и заложил основы совр. физиологической оптики и физиологической акустики. Отечественные физиологи И. М. Сеченов, А. Ф. Вериго, А. Ф. Самойлов, Н. Е. Введенский, А. А. Ухтомский, Д. С. Воронцов разработали Б. мышц и нервов. К. А. Тимирязев, опираясь на закон сохранения энергии, впервые установил (1875) количественную зависимость между скоростью фотосинтеза и впитыванием хлорофиллом световых волн различной длины. Украинский физиолог В. Ю. Чаговец, исходя из теории электролитической диссоциации, впервые (1896) выдвинул физико-химическую теорию электрических явлений в живых тканях, которую он подробно развил в своих последующих работах.
Советский физиолог и биофизик П. П. Лазарев впервые разработал точные методы учета поглощенной энергии, установил связь между поглощением энергии и фотохимическим действием, развил ионную теорию возбуждения В. Нернста и разработал теорию адаптации применительно ко всем органам чувств и центральной нервной системы.
Анохин П. К. (1898-1974), ученик Бехтерева и Павлова сформулировал в пятидесятых теорию функциональных систем, введя понятие системогенеза, как механизм формирования живых систем, показав детерминизм явлений, формирования и развития систем и критерии их определения. Чижевский А. Л. (1897-1964), создатель гелиобиофизикы и понятие космической погоды. Впервые установил механизмы воздействия на биосферу и социум Солнечной активности. Ключевыми в работах были установлены механизмы электрических явлений в гемодинамици.
В последнее десятилетие наиболее интенсивно развивается радиобиология – раздел Б., изучающий влияние ионизирующих излучений на живой организм. Открытие Фредериком и Ирен Жолио-Кюри (1932) искусственной радиоактивности обогатило биологическую науку новыми точными методами исследования (меченые атомы, авторадиография, гисторадиография и др.), которые дали возможность глубоко изучать обменные процессы в организме. Применение искусственных радиоактивных изотопов в медицине расширило возможности диагностики и лечения отдельных болезней, в частности некоторых форм рака. В наше время, когда человек овладел ядерной энергии, перед Б. появляются новые актуальные проблемы: защита от вредоносных ядерных излучений, изучение влияния на организм условий межпланетных путешествий и т.д.
Биофизическое исследование характеризует физическая постановка задачи, касающийся живой природы, и применения физических понятий и терминов для описания биологических явлений. Биофизика изучает также действие физических факторов окружающей среды на живую материю. Большим преимуществом биофизики является возможность использования косвенных, опосредованных методов исследования объектов познания (непосредственное изучение которых по определенным причинам невозможно) путем исследования их моделей. Для понимания хода физико-химических процессов в клетках высших организмов используются как модели более простые организмы, изолированные клетки или культуры клеток, где механизмы, которые изучаются, устроены проще. Применяются также чисто физико-химические модели, назначение которых состоит в выделении явления в чистом виде с целью показа его сущности.
Современная биофизика использует новейшие методы количественного исследования, что позволяет получать количественные зависимости между изменениями различных физико-химических параметров живой системы.
Совершенствование и разработка в этом направлении методов по измерению электрических потенциалов, ионных токов, диэлектрических свойств, электропроводности, спектральных характеристик, хемолюминесценции и других является важным источником при решении многих проблем современной биологии. Биофизика выясняет важные практические задачи и вместе с другими науками является теоретической основой биологии и медицины.
Основные направления исследований:
Современная биофизика делится по специализации по уровню организации объектов или явлений и методов:
– Информатика, хотя не является основательным разделом биофизикы, и очень тесно связана с ней в сфере бионического подхода (инженеринг, нейронные сети, моделирование);
– Биоинформатика, именно с позиции коммуникаций, программ и чтения, записи, трансляции, восприятия, обработки сигналов в естественных биосистемах является основательным разделом биофизикы сенсорных систем – психофизика, коммуникативная и эргономичная биофизика;
– Биометрия – метрологическая, медицинская, эргономичная, биотехническая, экологическая;
– Биомеханика связывает функции и структуру опорно-двигательного аппарата с движением биосистем – протезирование, робототехника, эргономика, дизайн, архитектура;
– Биофизика эволюционных процессов и индивидуальный развитие – Системогенез, гомеостаз, формообразования, ведущие факторы нормы развития и жизнедеятельности и патогенеза и их оздоровительный или реабилитационный, биомедицинский, психофизический аспекты);
– Биофизика периодических (циклических) процессов – биоритмология и хрономедицина, адаптационные механизмы, периодические процессы, физические условия и стимулы для компенсации или усиления действия периодических условий естественных или искусственных источников влияния;
– Экологическая гео-биофизика – исследование, классификация биофизических аномалий геофизического и антропогенного происхождения, контроль и предотвращение и профилактики их негативного воздействия;
– Биофизические производительные технологии – Бионический, нанотехнологический, фармакологический, пищевой или биопродуктивний направления (лучевые, магнитные и другие факторы, получая

Что изучает биофизика?

Раздел 1. Общая биофизика. Включает в себя термодинамику биологических систем, кинетику биологических процессов, фотобиологию и молекулярную биофизику.

Биологическая термодинамика, или термодинамика биологических систем , изучает процессы превращения вещества и энергии в живых организмах. Этот раздел биофизики до сих пор создает почву для дискуссий о том, выполняются ли законы термодинамики в живых организмах. Основу этому разделу положили уже упомянутые выше работы А. Лавуазье и П.Лапласа, доказавшие применимость первого закона термодинамики к живым системам. Дальнейшее развитие этого направления привело к описанию Гельмгольцем тепловых эквивалентов пищи. Наибольший вклад в этот процесс внес австрийский биофизик И.Пригожин, доказавший применимость второго закона термодинамики к биологическим системам и положивший начало учению о термодинамике открытых неравновесных систем.

Кинетика биологических процессов – пожалуй, наиболее близкая к физике и химии область биофизики. Скорость и закономерности протекания реакций в живых системах мало отличаются от остальных. Эксклюзивным предметом является– учение о ферментах, о кинетике ферментативных реакций и способах регуляции ферментативной активности, описанная Михаэлисом и Ментен.

Фотобиология , или квантовая биофизика – изучает взаимодействие излучений с живыми организмами. Видимый свет играет исключительно важную роль в биологии как источник энергии (фотосинтез) и информации (зрение). Здесь нужно отметить большой вклад русского ученого М.Ломоносова, предложившего трехкомпонентную теорию цветного зрения, нашедшую затем свое развитие в работах Юнга и Гельмгольца («Физиологическая оптика», 1867). Они описали оптическую систему глаза, явление аккомодации и изобрели «глазное зеркало» – офтальмоскоп, до сегодняшнего дня используемый при исследовании сетчатки.

Молекулярная биофизика – раздел, тесно прилегающий к физической химии и изучающий закономерности образования и функционирования биомакромолекул. Этот раздел начал бурно развиваться лишь во второй половине XX века, так как требует сложного оборудования для проведения исследований. Здесь следует отметить работы Поллинга и Кори по изучению структуры молекул белка, Уотсона и Крика - по изучению молекулы ДНК.

Раздел II. Биофизика клетки . Предметом данного раздела являются принципы организации и функционирования живой клетки и ее фрагментов, биологических мембран.

Этот раздел биофизики стал развиваться после появления клеточной теории Шванна. Были описаны структура и функция клеточных мембран (Робертсон, Синджер и Николсон), сформулированы представления об избирательной проницаемости мембран (В.Пфеффер и Х.деФриз, Овертон), учение об ионных каналах (Эйзенман, Муллинз, Хилле).

Эксперименты Э. Дюбуа-Реймона и теория В. Оствальда о трансмембранной разности потенциалов положили начало учению о биологическом электричестве, о возбудимых тканях и привели к пониманию закономерностей функционирования нервных и мышечных клеток.

Механизмы передачи информации в клетках, учение о первичных и вторичных посредниках и внутриклеточных сигнальных системах – одно из активно развивающихся направлений современной биофизики. Ионы кальция, циклические нуклеотиды, продукты гидролиза мембранных фосфоинозитидов, простагландины, оксид азота – перечень молекул, передающих информацию от мембраны внутрь клетки и между клетками, постоянно пополняется.

Раздел III. Биофизика сложных систем. Естественным этапом в развитии биофизики явился переход к описанию сложных биологических систем. Начав с исследования отдельных тканей и органов, сегодня биофизика анализирует процессы, протекающие на уровне целого организма, надорганизменных систем (популяций и экологических сообществ), биосферы в целом. Делаются попытки использовать биофизические подходы к анализу социальных процессов.

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ

Методические указания

студентам по теме практического занятия

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ.

МЕХАНИЗМЫ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ.

Воронеж 2009

Методические указания разработаны на основании примерных рабочих программ по медицинской и биологической физике (специальности: лечебное дело, педиатрия, медико-профилактическое дело), физике и биофизике (специальности: фармация, сестринское дело), рекомендованных Центральным методическим советом ВГМА. Содержат основные теоретические вопросы по данной теме и дидактические единицы для подготовки к занятию и самоконтроля. Предназначены для студентов IиIIкурсов лечебного, педиатрического, медико-профилактического, фармацевтического факультетов, МИМОС (лечебное дело), ИСО.

Печатается по решению Центрального методического совета ВГМА

(протокол №6 от 16.04.2009 г.).

ТЕМА: Биофизика клетки

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:

1. Овладеть необходимыми теоретическими знаниями в области мембранологии.

2. Выработать умения применять полученные знания для анализа конкретных физических явлений, наблюдаемых в биологических системах.

После изучения темы студент должен знать:

а) принципы организации, строение, физические свойства и функции клеточных мембран;

б) основные механизмы транспорта веществ через мембрану;

в) природу, механизм образования и способы распространения биоэлектрических потенциалов.

а) решать типовые задачи по количественному расчету процессов диффузии, осмоса, фильтрации;

б) проводить анализ и количественную оценку процессов, происходящих при формировании потенциала покоя и генерации потенциала действия.

МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ

Плазматическая мембрана является ключевым компонентом, обеспечивающим жизнедеятельность клетки, и многие патологические состояния связаны с изменением структуры и функциональных свойств биомембран. Вопросы селективного транспорта веществ важны для понимания принципов применения фармакологических препаратов в терапии. Процессы биоэлектрогенеза лежат в основе функционирования нервной системы, сердца, скелетной мускулатуры. Поэтому тема "Биофизика клетки" в рамках дисциплины "Медицинская и биологическая физика" необходима студентам для прохождения профессиональных дисциплин и дисциплин специальности.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВНЕУРОЧНОЕ ВРЕМЯ

Задание 1.

Изучить теоретический материал занятия, используя рекомендуемую литературу по следующей логической структуре учебного материала:

1. Современные представления об организации плазматической мембраны

а) жидко-кристаллическая мозаичная модель строения мембраны;

б) функции биологической мембраны;

в) подвижность компонентов биомембраны;

г) физические свойства биомембраны.

2. Селективный транспорт веществ

а) диффузия

– диффузия нейтральных и заряженных частиц через липидную фазу мембраны;

– диффузия веществ через мембранные поры и белковые каналы;

– облегченная диффузия

в) фильтрация

г) активный транспорт веществ

3. Биоэлектрогенез

а) мембранно-ионная теория возникновения потенциала покоя;

б) биофизические механизмы образования потенциала действия;

в) способы распространения биоэлектрических потенциалов.

Задание 2.

Подготовить реферативные сообщения на темы, полученные у преподавателя на предыдущем занятии.

Средства для самоподготовки студентов

во внеаудиторное время

1. Учебная и методическая литература

а) основная

– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 184-213.

– Физика и биофизика / Под ред. В.Ф. Антонова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – С. 180-271.

– Лекционный материал по теме "Биофизика клетки".

– Ремизов А.Н. Сборник задач по медицинской и биологической физике / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина. – М.: Дрофа, 2001. – С. 79-85.

б) дополнительная

– Самойлов В.О. Медицинская биофизика / В.О. Самойлов. – СПб.: СпецЛит, 2004. – С. 19-131, 262-314.

– Артюхов В.Г. Биофизика / В.Г. Артюхов, Т.А. Ковалева, В.П. Шмелев. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1994. – С.146-227.

– Физиология человека / Под ред. Г.И. Косицкого. – М.: Медицина, 1985. – С. 19-44.

2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ

Строение и физические свойства биологических мембран.

Клеточная (плазматическая) мембрана – ультратонкая пленка (4-13 нм) на поверхности клетки или внутриклеточных органоидов, ограничивающая их от внешних объектов.

В 1972 г. С.Дж. Синджером и Г.Л. Николсоном была предложена жидко-кристаллическая мозаичная модель строения мембраны: в основе мембраны лежит текучий фосфолипидный бислой, в который погружены свободно диффундирующие белки, образующие в нем своеобразную мозаику.

Фосфолипиды являются амфифильными соединениями – имеют полярную гидрофильную часть (несущую электрический заряд) и длинные гидрофобные фрагменты. Такие молекулы в водном растворе будут самопроизвольно ориентироваться в пространстве таким образом, чтобы гидрофобные углеводородные цепи были закрыты от воды. Образуются двухслойные липосомы (рис. 1). Это расположение термодинамически выгодно, поскольку соответствует наименьшему значению свободной энергии Гиббса. Если количественно преобладают фосфолипиды с одним хвостом (лизолецитин), то формируются однослойные мицеллы. В составе мембран сосредоточения таких молекул формируют поры (рис. 1), через которые осуществляется транспорт воды, ионов и т.д., поскольку внутренняя часть поры гидрофильна.

		липосома
Рис. 1. Самоорганизация липидных молекул в водном растворе

Липиды, формирующие бислой мембраны, обладают достаточно высокой подвижностью и способны к:

 вращению вокруг собственной оси (поворот на 1 радиан за 10 –9 с);

 латеральной диффузии – хаотичное тепловое перемещение молекул липидов и белков в плоскости мембраны. Среднее квадратическое перемещение (S кв) определяется по формуле Эйнштейна:

,

где D– коэффициент латеральной диффузии молекулы,t– время. ЭкспериментальноS кв можно определить методом флюоресцентных меток.

Частота перескоков молекулы рассчитывается по формуле:

,

где f– площадь, занимаемая одной молекулой в мембране.

 транс-переходам ("флип-флоп") – перемещение из одного монослоя в другой (среднее время перескока молекулы ≈ 1 час).

В физиологических условиях липиды мембран, находятся в жидком агрегатном состоянии, что обеспечивает относительную подвижность белковых молекул. Часть белков "заякорена" на структурах цитоскелета (микротрубочки и микрофиламенты) и их диффузия затруднена. Кроме того, липидный бислой содержит особые домены – рафты (от англ. плот, паром), которые обладают высокой плотностью, упорядоченностью, включают в себя мембранные белки и диффундируют в плоскости мембраны как единое целое.

Белковые молекулы имеют различную степень погруженности в липидную фазу. Различают: поверхностные белки, полупогруженные, погруженные (интегральные).

Углеводы, входящие в состав мембран химически связаны с белками или липидами.

Общие функции биологической мембраны:

 структурная – обеспечивает автономность клетки и внутриклеточных компартментов;

 барьерная – осуществляет селективный транспорт веществ;

 матричная – обеспечивает оптимальное расположение белковых ансамблей (например, ЭТЦ митохондрий);

 сигнальная – связывает информационные молекулы (например, гормоны) и выступает триггером дальнейших внутриклеточных событий.

Наряду с этим клеточные мембраны выполняют функции, зависящие от специализации клеток (генерация и проведение нервного импульса, мышечное сокращение, окисление субстратов и т.д.).

Физические свойства мембран.

Жидкокристаллическая структура мембраны чрезвычайно чувствительна к действию физических факторов среды. При снижении температуры происходит фазовый переход в твердокристаллическое состояние (гель), при этом меняются характеристические свойства мембраны (рис. 2). Увеличивается плотность гексагональной упаковки фосфолипидов (для лецитина от 0,6-0,8 нм 2 до 0,46-0,48 нм 2) и толщина мембраны (от 3,9 нм до 4,7 нм). В физиологических условиях текучесть мембраны уменьшается при повышении содержания в ней холестерина, ионов кальция, магния. Фазовые переходы подчиняются закону "все или ничего" – при плавном изменении действующего фактора физико-химические свойства мембраны изменяются скачкообразно.

Рис. 2. Фазовые переходы мембран.

Отдельная жирнокислотная цепь в жидкокристаллической мембране может принимать множество различных конфигураций за счет вращения одинарных С–С связей. В твердом бислое молекулы принимают полностью транс-конформацию и возможны лишь небольшие колебательные движения:

В жидком бислое возможны тепловые движения, сопровождающиеся транс-гош-переходами:

– транс-гош-конформация

Расположенные рядом гош-конформации могут образовывать в бислое полости – кинки (от англ. kink – петля), в которые могут попасть молекулы из внемембранного пространства. Последующее изменение конформации цепей приводит к движению кинка и перемещению вещества в продольной или поперечной плоскости мембраны (рис. 3)

Рис. 3. Движение кинка с веществом.

Для биологической мембраны характерен трансмембранный биопотенциал – разность потенциалов на внутренней и наружной сторонах. Его величина составляет ≈ – 60-90 мВ. Вследствие малой толщины мембраны напряженность электрического поля достигает 6-910 6 В/м. Емкостные свойства мембраны как конденсатора составляют 0,5-1,3 мкФсм –2 .

Транспорт веществ через мембрану.

Одна из основных функций биологической мембраны – селективный транспорт веществ. Принято различать

 пассивный транспорт – происходящий в направлении действия электрохимического градиента (концентрационного, электрического и т.д.);

 активный транспорт – процессы переноса веществ против существующих градиентов и требующие затрат энергии.

Пассивный транспорт объединяет ряд механизмов переноса веществ.

Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из области большей концентрации в область меньшей концентрации вследствие хаотического теплового движения молекул.Уравнение диффузии (уравнение Фика ) имеет вид:

,

где J– плотность потока – количество вещества переносимое через единицу площади за единицу времени [моль/м 2 с];– градиент молярной концентрации;D– коэффициент диффузии [м 2 /с]:

,

где R– универсальная газовая постоянная (8,31 Джмоль –1 К –1); Т – абсолютная температура (К);N A – постоянная Авогадро (6,0210 23 моль –1);r– радиус диффундирующих частиц (м);- вязкость среды (Нс/м 2). Таким образом, скорость диффузии будет зависеть от температуры, вязкости растворителя и размера частиц.

Для расчета диффузии через биологическую мембрану часто используют формулу:

,

где Р – коэффициент проницаемости; с i и с 0 – молярная концентрация частиц в клетке и снаружи. Коэффициент проницаемости прямо пропорционален коэффициенту диффузии (D), коэффициенту распределения вещества между водным раствором и липидной фазой мембраны (k) и обратно пропорционален толщине мембраны (l):

Коэффициент распределения тем выше, чем легче вещество растворяется в липидной фазе. Следовательно, переход гидрофильных соединений непосредственно через липидный бислой будет крайне затруднен (так, молекулы пропиленгликоля диффундируют через мембрану примерно в 20 раз быстрее, чем молекулы мочевины).

Если происходит перенос заряженных частиц (ионов), то помимо концентрационного градиента необходимо учитывать величину разности потенциалов биологической мембраны. Уравнение диффузии для таких частиц называется уравнением Нернста-Планка и имеет вид:

,

где u m – подвижность диффундирующих частиц выраженная для моля (u = u m N A);Z– заряд иона;F– постоянная Фарадея; с – молярная концентрация ионов;– градиент мембранного потенциала.

Кроме диффузии через липидный бислой мембраны транспорт веществ может происходить через липидные поры и белковые каналы (рис. 4).

Мембранный канал представляет собой интегральный белок (белковый комплекс, гликопротеид), пронизывающий липидный каркас мембраны и обеспечивающий перенос веществ через мембрану в сторону более низкого электрохимического потенциала. Вторичная структура белкового комплекса имеет-складчатый характер с цилиндрической полостью внутри, заполненной водой. Коэффициент проницаемости ионных каналов для гидрофильных веществ составляет 10 –8 -10 –9 м/с, что на 5-6 порядков меньше скорости переноса ионов в водной среде, но значительно превышает скорость их диффузии через липидную фазу.

Ионный канал содержит два основных компонента: селективный фильтр и воротный механизм. Первый имеет жесткую структуру, т.е. в этой части белковый комплекс не может изменять размеры поры и регулировать проницаемость мембраны. Функция селективного фильтра – пропускать через канал определенное вещество или группу сходных с ним веществ, т.е. избирательная проницаемость. Регулирование мембранной проницаемости обеспечивается воротными процессами. Они осуществляются "воротами канала", которые представляют собой части белкового комплекса, способные "раскручиваться" и "скручиваться" в ходе их механохимических реакций и благодаря этому создавать просвет внутри белкового комплекса или перекрывать его (сжимать или восстанавливать пору).

Проницаемость мембраны для данного вещества определяется только числом открытых в данный момент каналов. Поэтому мембранную проницаемость (Р) при переносе веществ по каналам рассчитывают по формуле:

,

где n– число открытых каналов на единице поверхности;r– радиус канала;D– коэффициент диффузии;l– длина канала (примерно соответствует толщине мембраны).

Переход канала из закрытого состояния в открытое и обратно осуществляется под действием определенных стимулов (сдвиг мембранного потенциала, химические, механические, световые модальности).

Облегченная диффузия происходит с участием специальных переносчиков. Например, антибиотик валиномицин осуществляет перенос ионов калия через мембрану. Его структура напоминает браслет (рис. 5) образованный изнутри полярными группами (обеспечивают связывание калия), а снаружи – неполярными (обуславливают гидрофобность молекулы). Ион калия встраивается в центральную область антибиотика на наружной поверхности мембраны, заряженный комплекс под действием электрического поля диффундирует через мембрану и на ее внутренней стороне распадается. Калий поступает в цитоплазму, а свободная молекула валиномицина возвращается обратно.

По современным представлениям, аналогично происходит перенос аминокислот, сахаров и ряда других веществ.

Примером фиксированного переносчика является антибиотик грамицидин. Две его молекулы встраиваются в мембрану и формируют полый цилиндр, в котором полярные группы расположены внутри. Скорость переноса ионов может составлять 10 10 с –1 , что примерно в 10 5 раз превышает производительность подвижных переносчиков.

Характерные черты облегченной диффузии:

 для ее реализации обязательно должен существовать концентрационный градиент переносимого вещества;

 при увеличении градиента концентрации скорость облегченной диффузии повышается до определенного предела ("насыщение" определяется концентрацией переносчика);

 скорость облегченной диффузии значительно превышает скорость простой, поскольку переносчик приводит к значительному повышению мембранной проницаемости для данного вещества;

 возможна конкуренция близких по структуре веществ за связывание с молекулой переносчика.

Осмос – движение растворителя через полупроницаемую мембрану (непроницаемую для растворенного вещества) в сторону более концентрированного раствора. По своей сути осмос – это простая диффузия молекул воды.

Осмотическое давление измеряется в атмосферах (в СИ – паскали) и определяется по формуле:

Р осм =RTCi,

где R– универсальная газовая постоянная, 8,3110 3
; Т – температура, К; С – концентрация растворенного вещества, г/моль;i– изотонический (изоосмотический) коэффициент (для не электролитовi= 1, для разбавленных растворов солей, кислот, щелочейi≈ 2-3). Сила, противодействующая осмосу – упругое сопротивление мембраны или дополнительная величина гидростатического давления. В тот момент, когда величина осмотического давления уравновешивается противодействующей силой, система переходит в состояние равновесия. Р осм большинства клеток организма человека составляет около 780 кПа (7,5-8,1 атм). В местах воспаления (опухоли) возможно увеличение до 15-20 атм.

Явление осмоса играет ключевую роль в жизнедеятельности организма, обеспечивая поступление воды через мембраны и тургор или упругость клеток (формообразование, эластические свойства тканей).

По сравнению с осмотическим давлением клеток, внешние растворы могут быть:

 Изотоническими – имеют ту же величину осмотического давления, не вызывают изменения клеточных структур (0,9% водный растворNaClназывают физиологическим раствором). Для инъекций лекарственных препаратов используются преимущественно изотонические растворы.

 Гипертоническими – растворы с большим осмотическим давлением, приводят к плазмолизу клеток ("сморщиванию") вследствие выхода из них воды.

 Гипотоническими – растворы с меньшим осмотическим давлением приводят к разбуханию и разрыву клеточной оболочки – лизису, поскольку вода начинает поступать внутрь клетки. Повязки с гипертоническим раствором (10%NaCl) применяют в медицине при лечении гнойных ран (за счет осмоса происходит ток жидкости из раны и она очищается от микроорганизмов, продуктов распада). Горькую соль (MgSO 4 7H 2 O) и глауберову соль (Na 2 SO 4 10H 2 O) используют как слабительные средства. Они плохо всасываются в желудочно-кишечном тракте, и при применении гипертонических растворов этих солей в просвет кишечника переходит значительное количество воды из слизистой оболочки.

Фильтрация – движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. В общем виде, скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля:

Фильтрация играет огромную роль в капиллярном транспорте, поскольку обеспечивает перенос воды и растворенных в ней веществ из плазмы крови в тканевую жидкость. Направление и скорость движения воды определяется по формуле:

Q=f((Р гк – Р гт) – (Р ок – Р от)),

где Q– объемная скорость движения воды через капиллярную стенку;f– коэффициент фильтрации (определяется вязкостью раствора, количеством пор и т.д.); Р гк – гидростатическое давление в капилляре; Р гт – гидростатическое давление в тканевой жидкости; Р ок – онкотическое давление крови; Р от – онкотическое давление тканевой жидкости. Онкотическое давление – часть осмотического, создаваемое за счет белковых макромолекул (более мелкие молекулы свободно проходят через капиллярную стенку и не участвуют в формировании осмотического давления). Под действием Р гк и Р от жидкость стремится выйти из капилляра в ткань (фильтрация), а под действием Р гт и Р ок – возвратиться обратно в капилляр (реабсорбция). Градиент гидростатического давления в капиллярном русле приводит к тому, что в артериальной части артериол происходит фильтрация, а в венозной части – реабсорбция, причем между объемами отфильтрованной и реабсорбированной жидкости в норме существует динамическое равновесие (≈ 10% объема жидкости возвращается из интерстициального пространства в кровяное русло с помощью лимфатической системы).

Активный транспорт идет против существующих электрохимических градиентов и сопровождается ростом энергии Гиббса. Следовательно, он всегда происходит с затратой энергии запасенной в макроэргических связях АТФ. Впервые существование активного транспорта было показано в опытах Уссинга (1949 г).

Камера Уссинга (рис. 6) заполнена раствором Рингера и разделена на две половины кожей лягушки. Наблюдались потоки ионов Na + , при этом внутренняя сторона кожи приобретала положительный заряд по отношению к наружной. С помощью блока компенсации напряжения разность потенциала кожи приводили нулю и поддерживали одинаковую концентрацию ионов по обе стороны мембраны. Если бы транспорт ионов осуществлялся только пассивными механизмами, то потоки ионов через мембрану в обе стороны были бы равны, а ток в цепи отсутствовал. Однако электрический ток продолжал протекать через мембрану, следовательно, происходит однонаправленный перенос заряженных частиц. Метод радиоактивных изотопов показал, что поток ионовNa + внутрь клетки превышает поток из клетки. Дальнейшие опыты показали, что истощение запасов АТФ в коже лягушки приводит к остановке однонаправленного потока ионовNa + .

БИОФИЗИКА (биологическая физика), наука о физических и физико-химических механизмах взаимодействий, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи - молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Становление и развитие биофизики проходило при тесном взаимодействии биологии с физикой, физической химией и математикой. Согласно классификации, принятой Международным союзом чистой и прикладной биофизики (1961) и отражающей основные объекты и области биофизических исследований, биофизика включает в себя следующие разделы: молекулярную биофизику, в задачу которой входит исследование физических и физико-химических свойств макромолекул и молекулярных комплексов; биофизику клетки, изучающую физико-химические основы функции клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функциями, закономерности координации клеточных процессов, их механические и электрические свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов; биофизику сложных систем, к которым относят отдельные органеллы, целые организмы и популяции; биофизику процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием принципов управления в биологических системах. В рамках биофизики выделяют также биомеханику, биологическую оптику, биомагнетизм, биологическую термодинамику. К биофизике относят и области науки, изучающие механизмы воздействий на биологические системы различных физических факторов (свет, ионизирующие излучения, электромагнитные поля и др.).

История становления биофизики. Начало изучения физических свойств биологических объектов связывают с работами Г. Галилея и Р. Декарта (17 век), заложившими основы механики, на принципах которой и делались первые попытки объяснить некоторые процессы жизнедеятельности. Р. Декарт, например, считал, что организм человека подобен сложной машине, состоящей из тех же элементов, что и тела неорганического происхождения. Дж. Борелли применил принципы механики в описании механизмов движений животных. В 1628 году У. Гарвей на основе законов гидравлики описал механизм кровообращения. В 18 веке важное значение в познании физико-химических явлений, протекающих в живых организмах, имели открытия в области физики, совершенствование её математического аппарата. Использование физических подходов дало толчок к введению в биологию экспериментальных методов и идей точных наук. Л. Эйлер математически описал движение крови по сосудам. М. В. Ломоносов высказал ряд общих суждений о природе вкусовых и зрительных ощущений, выдвинул одну из первых теорий цветового зрения. А. Лавуазье и П. Лаплас показали единство законов химии неорганических и органических тел, установив, что процесс дыхания аналогичен медленному горению и является источником тепла для живых организмов. Творческая дискуссия между А. Вольтой и Л. Гальваны по поводу открытого последним «живого электричества» легла в основу электрофизиологии.

В 19 веке развитие биологии сопровождалось обогащением знаний о физико-химических свойствах биологических структур и процессов. Огромное значение имело создание электролитической теории растворов С. Аррениусом, ионной теории биоэлектрических явлений В. Нернстом. Были получены основные представления о природе и роли потенциалов действия в механизме возникновения и распространения возбуждения по нерву (Г. Гельмгольц, Э. Дюбуа-Реймон и Ю. Бернштейн, Германия); значение осмотических и электрических явлений в жизни клеток и тканей было выяснено благодаря работам Ж. Лё6а (США), В. Нернста и Р. Герера (Германия). Всё это позволило Э. Дюбуа-Реймону сделать вывод о том, что в материальных частицах организмов не обнаруживается никаких новых сил, которые не могли бы действовать вне их. Такая принципиальная позиция положила конец объяснениям процессов жизнедеятельности действием каких-то особых «живых факторов, не поддающихся физическим измерениям».

Значительный вклад в развитие биофизики внесли отечественные учёные. И. М. Сеченов исследовал закономерности растворения газов в крови, биомеханику движений. Конденсаторная теория возбуждения нервных тканей, основанная на неодинаковой подвижности ионов, была предложена В. Ю. Чаговцом. К. А. Тимирязев определил фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра, установив количественную закономерность между скоростью процесса фотосинтеза и поглощением хлорофиллом листьев света разного спектрального состава. Идеи и методы физики и физической химии использовались при исследовании движения, органов слуха и зрения, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей. В 1905-15 годах Н. К. Кольцов изучал роль физико-химических факторов (поверхностного натяжения, концентрации водородных ионов и других катионов) в жизни клетки. П. П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916), изучении кинетики фотохимических реакций. Он создал первую советскую школу биофизиков, объединил вокруг себя большую группу крупных учёных (в том числе С. И. Вавилов, С. В. Кравков, В. В. Шулейкин, С. В. Дерягин и др.). В 1919 году им был создан в Москве Институт биологической физики Наркомздрава, где велись работы по ионной теории возбуждения, изучению кинетики реакций, идущих под действием света, исследовались спектры поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также процессы первичного воздействия на организм различных факторов внешней среды. Открытие А. Г. Гурвичем (1923) митогенетических лучей, стимулирующих деление клеток, получило развитие в работах Г. М. Франка. Огромное влияние на развитие биофизики в СССР оказали книги В. И. Вернадского («Биосфера», 1926), Э. С. Бауэра («Теоретическая биология», 1935), Д. Л. Рубинштейна («Физико-химические основы биологии», 1932), Н. К. Кольцова («Организация клетки», 1936), Д. Н. Насонова и В. Я. Александрова («Реакция живого вещества на внешние воздействия», 1940) и др. Во 2-й половине 20 века успехи в биофизике непосредственно связаны с развитием и совершенствованием физических и химических методов исследований и теоретических подходов, применением электронно-вычислительной техники. Широкое освоение атомной энергии стимулировало интерес к исследованиям в области радиобиологии.

Современные направления биофизики . В современной биофизике можно выделить 2 основных направления: теоретическую биофизику (решает общие проблемы термодинамики биологических систем, динамической организации и регуляции биологических процессов, изучает физическую природу взаимодействий, определяющих структуру, устойчивость и внутримолекулярную динамическую подвижность макромолекул и их комплексов, трансформацию в них энергии) и биофизику конкретных биологических процессов, анализ которых проводится на основе общетеоретических представлений. Основная тенденция связана с проникновением в молекулярные механизмы, лежащие в основе биологических явлений на разных уровнях организации живого. К достижениям биофизики, имеющим общебиологическое значение, можно отнести понимание термодинамических свойств организмов и клеток как открытых систем, формулировку на основе 2-го закона термодинамики критериев эволюции открытой системы к устойчивому состоянию (И. Р. Пригожин); раскрытие механизмов колебательных процессов на уровне популяций, ферментативных реакций. Исходя из теории автоволновых процессов в активных средах, установлены условия самопроизвольного возникновения диссипативных структур в гомогенных открытых системах. На этом основании строятся модели процессов морфогенеза, формирования регулярных структур при росте бактериальных культур, распространения нервного импульса и нервного возбуждения в нейронных сетях.

Развивающаяся область теоретической биофизики - изучение возникновения и природы биологической информации и её связи с энтропией, условий хаотизации и образования фрактальных самоподобных структур в сложных биологических системах. Анализ конкретных биологических процессов в биофизике основан на данных исследований физико-химических свойств биополимеров (белков и нуклеиновых кислот), их строения, механизмов самосборки внутримолекулярной подвижности и т. д. Большое значение имеет использование современных экспериментальных методов, и прежде всего рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии (ЯМР, ЭПР), спектрофотометрии, электронной туннельной микроскопии, атомной силовой микроскопии, лазерной спектроскопии. Они дают возможность получать информацию о механизмах молекулярных превращений, не нарушая целостности биологических объектов. Так, при рентгеноструктурном анализе белка в 1954 году Дж. Кендрю и М. Перуц предложили способ расчёта расположения атомов в молекуле, что позволило им установить пространственную структуру миоглобина и гемоглобина (к началу 21 века установлена структура около 1000 белков). Расшифровка пространственной структуры ферментов и их активного центра позволяет понять природу молекулярных механизмов ферментативного катализа, планировать на этой основе создание новых лекарственных средств. В области теоретической молекулярной биофизики представления об электронно-конформационных взаимодействиях (Л. А. Блюменфельд, М. В. Волькенштейн), стохастических свойствах белка (О. Б. Птицын) составляют основу понимания принципов функционирования биологических макромолекул.

Традиционно биофизика изучает свойства биологических мембран, их молекулярную организацию, конформационную подвижность белковых и липидных компонентов, устойчивость к действию температуры, перекисному окислению липидов, выяснению их проницаемости для неэлектролитов и различных ионов, молекулярное строение и механизмы функционирования ионных каналов, межклеточные взаимодействия. Большое внимание уделяется механизмам преобразования энергии (смотри Биоэнергетика) в структурах, где они сопряжены с переносом электронов и с трансформацией энергии электронного возбуждения. Раскрыта роль свободных радикалов в живых системах и их значение в поражающем действии ионизирующей радиации (Н. М. Эмануэль, Б. Н. Тарусов). Один из разделов биофизики, пограничных с биохимией, - механохимия, изучает механизмы взаимопревращений химической и механической энергий, связанные с сокращением мышц, движением ресничек и жгутиков, перемещением органелл и протоплазмы в клетках. Важное место занимает квантовая биофизика, изучающая первичные процессы взаимодействия биологических структур с квантами света (фотосинтез, зрение, воздействие на кожные покровы и так далее), механизмы биолюминесценции и фототропных реакций, действия ультрафиолетового и видимого света (фотодинамические эффекты) на биологические объекты. Ещё в 1940-х годах А. Н. Теренин раскрыл роль триплетных состояний в фотохимических и ряде фотобиологических процессов. Позднее А. А. Красновский показал способность возбуждённого светом хлорофилла к окислительно-восстановительным превращениям, лежащим в основе первичных процессов фотосинтеза. Современные методы лазерной спектроскопии дают непосредственную информацию о кинетике фотоиндуцированных электронных переходов, колебаниях атомных групп в частотном диапазоне 10 -15 -10 -6 с -1 и более.

Достижения в биофизике в большой степени связаны с развитием медицины и экологии. Медицинская биофизика занимается выявлением в организме (клетке) на молекулярном уровне начальных стадий патологических изменений. Ранняя диагностика заболеваний основана на регистрации спектральных изменений, биолюминесценции, электрической проводимости образцов крови и тканей, сопровождающих заболевание (например, по уровню хемилюминесценции можно судить о характере перекисного окисления липидов). Экологическая биофизика анализирует влияние абиотических факторов (температура, свет, электромагнитные поля, антропогенные загрязнения и др.) на организмы, их жизнеспособность и устойчивость. Важнейшей задачей экологической биофизики является развитие экспресс-методов для оценки состояния экосистем.

Научные учреждения, общества, периодические издания . В России исследования по биофизике проводятся в ряде научно-исследовательских институтов и вузов. Одно из ведущих мест принадлежит научному центру в г. Пущино, где в 1952 году был организован Институт биологической физики Академии Наук СССР, который позднее разделился на Институт биофизики клетки и Институт теоретической и экспериментальной биофизики. Биофизика активно развивается в Институте биофизики Министерства здравоохранения Российской Федерации, Институте молекулярной биологии и Институте белка РАН, Институте биофизики СО РАН, в университетах Москвы, Санкт-Петербурга и Воронежа, в Московском физико-техническом и Московском инженерно-физическом институтах и др. Параллельно с развитием исследований шло формирование базы для подготовки специалистов в области биофизики. Первая в СССР кафедра биофизики была организована в 1953 году на биолого-почвенном (Б. Н. Тарусов), в 1959 - на физическом факультете (Л. А. Блюменфельд) МГУ, а затем в ряде других вузов страны. Курс биофизики читается во всех университетах страны. Биофизические исследования проводятся в институтах и университетах многих стран мира. Международные конгрессы, организуемые Международным союзом теоретической и прикладной биофизики, проводятся регулярно - каждые 3 года. Общества биофизиков существуют в США, Великобритании и ряде других стран. В России Научный совет по биофизике при РАН координирует научную работу, осуществляет международные связи. Секция биофизики имеется при Московском обществе испытателей природы. Среди периодических изданий, в которых публикуются труды по биофизике: «Биофизика» (М., 1956); «Молекулярная биология» (М., 1967); «Радиобиология» (М., 1961); «Биологические мембраны» (М., 1984); «Advances in Biological and Medical Physics» (N. Y., 1948); «Biochimica et Biophysica Acta» (N. Y.; Amst., 1947); «Biophysical Journal» (N.Y., 1960); «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi., 1939); «Journal of Cell Biology» (N. Y., 1962); «Journal of Molecular Biology» (N. Y.; L., 1959); «Journal of Ultrastructure Research» (N. Y.; L., 1957);«Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (N. Y., 1950); «Progress in Biophysics and Molecular Biology» (Oxf., 1963) и др.

Лит.: Байер В. Биофизика. М., 1962; Аккерман Ю. Биофизика. М., 1964; Биофизика. М., 1968; Маркин В. С., Пастушенко В. Ф., Чизмаджев Ю.А. Теория возбудимых сред. М., 1974; Жаботинский А. М. Концентрационные автоколебания. М., 1974; Блюменфельд Л. А. Проблемы биологической физики. 2-е изд. М., 1977; Иваницкий Г. Р., Кринский В. И., Сельков Е. Е. Математическая биофизика клетки. М., 1978; Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М., 1979; Хакен Г. Синергетика. М., 1980; Кантор Ч., Шаммел П. Биофизическая химия. 2-е изд. М., 1984; Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическая биофизика. М., 1984; Рубин А. Б. Термодинамика биологических процессов. М., 1984; он же. Биофизика. М., 1999-2000. Т. 1-2; Рубин А. Б., Пытьева Н. Ф., Ризниченко Г. Ю. Кинетика биологических процессов. 2-е изд. М., 1987; Волькенштейн М. В. Биофизика. 2-е изд. М., 1988; Финкельштейн А. В., Птицын О. Б. Физика белка. М., 2002; Аксенов С. И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. М., 2004.