биофизика

ЛЕКЦИЯ № 1
«Предмет биофизика»
План лекции:
1. Краткая история формирования
дисциплины
2. Цели, задачи и методы современной
биофизики
3. Основные разделы биофизики
4. Роль биофизики в биомедицинских
исследованиях
5. Связь биофизики с другими науками.
Биофизика - это наука,
изучающая физические и физико-химические
процессы в биологических системах на разных
уровнях их организации.
Краткая история биофизики
1. В трудах основоположника учения
о кровообращении, английского
врача и анатома Гарвея (16в-17в)
впервые сформулировано учение о
гидродинамике человека.
2. Дж. Борели (17в.) использовал
некоторые положения механики
для объяснения основ ходьбы, бега,
плавания, полета.
Краткая история формирования
биофизики
3. В 18 в. в работах Л. Эйлера идеи механики были
использованы для создания учения о гемодинамике
- движении крови и других биологических
жидкостей.
4. М. В. Ломоносов использовал термодинамику для
объяснения цветного зрения (теория "
трехкомпонентного цветного зрения").
5. А. Л. Лавуазье доказал, что дыхание животных
можно сравнить с окислением и сжиганием
веществ.
Краткая история формирования
дисциплины
6. В конце 18 в. Л. Гальвани и А. Вольт
предположили наличие “животного”
электричества и химического
источника электрического тока в
живом организме.
7. Юлиус Роберт Майер (1814-1878) в
1842 г. сформулировал первый закон
термодинамики для живых систем
Краткая история формирования
биофизики
8. В 1886 г. немецкий исследователь Ю. Бернштейн
зарегистрировал потенциал действия, который
возникал и развивался по принципу " всё или
ничего".
9. Г. Гельмгольц в 1856-1867 гг. выпустил
трехтомник по физиологической оптике. Он
экспериментально обосновал трехкомпонентную
гипотезу цветового зрения и резонансную теорию
слуха.
Краткая история формирования
биофизики
10. В 1920 г. Нобелевская премия присуждена В.
Нернсту за создание ионной теории
биоэлектричества
11. Нобелевский лауреат, А. Хилла использовал
термодинамику для описания сокращения
мышцы
12. В 1963 г. нобелевская премия присуждена А.
Ходжкину, А. Ф. Хаксли, Дж. Эклсу за
формулировку принципов мембранной теории
биоэлектрогенеза.
В 1922 г.
Впервые в мире был открыт
Институт биофизики при
Минздраве РСФСР под
руководством профессора
П. П. Лазарева
В 1961 г. биофизика как
самостоятельная наука была
зарегистрирована на
международном уровне и
создан Международный
союз общей и прикладной
биофизики.
Биофизика - наука, изучающая
структуру, физические свойства и
характеристики биологических молекул
и молекулярных комплексов,
обеспечивающих физиологические
процессы, а также действие на
биологические объекты различных
физических факторов (света, ионизирующего излучения, температуры и т.д.)
Цель биофизики
заключается в изучении
молекулярных процессов,
обеспечивающих
функционирование живых
организмов
Задачи биофизики:
1. изучение на молекулярном уровне
формирование а функционирование
субклеточных структур;
2. выявление общих закономерностей обмена
веществ и энергии на уровне клетки и организма;
3. исследование молекулярных механизмов
транспорта ионов и молекул через мембраны;
4. изучение молекулярных механизмов дыхания,
подвижности, поглощения света и т.д.;
Задачи биофизики:
5. исследование механизма поглощения и
миграции энергии в биохимических
превращениях, влияние их на
жизнедеятельность при действии энергии
электромагнитных полей, радиации;
6. термодинамический анализ сложных систем с
использованием законов классической
термодинамики и термодинамики
неравновесных процессов;
7. использование представление химической
кинетики для изучения сложных систем.
Основные разделы биофизики:
1. Квантовая биофизика изучает структуру
электронных энергетических уровней атомов,
ионов, молекул, их донорно-акцепторные
свойства, электронные переходы при поглощении
квантов света и пути миграции поглощенной
энергии, химические превращения электронновозбужденных молекул, образование
фотопродуктов и молекулярные взаимодействия,
лежащие в основе фотобиологических процессов
и явлений.
Основные разделы биофизики:
2. Молекулярная биофизика изучает
пространственную структуру и
электронно-конформационные
превращения биомолекул.
3. Биофизика клетки изучает
структуру и функции биомолекул в
клеточных комплексах (мембрана,
транспорт веществ,
биоэлектричество, рецепция
Основные разделы биофизики:
4. Биофизика сложных систем изучает
термодинамику и кинетику
биологических процессов.
5. Кинетика биологических процессов с
поомщью положений химической
кинетики исследует механизмы
биохимических реакций,
формирующих физиологические и
биологические явления.
Основные разделы биофизики:
6. Фотобиология исследует механизмы
взаимодействия квантов света видимого,
ультрафиолетового и инфракрасного
излучения с биомолекулами при
функционировании растений и
животных.
7. Радиационная биофизика исследует
процессы взаимодействия
ионизирующего излучения с
биомолекулами, миграцию энергии
ионизирующего излучения,
формирующих лучевое поражение клеток
и организма.
Методы биофизики
1. Метод электронной микроскопии.
Электронный микроскоп более чем в 500 раз
превосходит разрешающую способность
оптического микроскопа. Принцип действия
основан на том, поток электронов выполняет
роль световой волны.
Методы биофизики
2. Метод электронного парамагнитного
резонанса – ЭПР – это явление резкого
возрастания поглощения энергии электромагнитного
поля парамагнитными молекулами, помещенными во
внешнее постоянное магнитное поле, при резонансной
частоте волны переменного магнитного поля. ЭПР
основан на взаимодействии магнитных моментов
неспаренных электронов молекулы с магнитным полем
среды. В биофизике метод используется в сочетании с
спин-меченными радикалами:
- Если спин-меченный радикал связывается при
помощи ковалентных связей, то это спиновая метка.
-Если спин-меченный радикал связывается за счет
электростатических или гидрофобных связей, то это
спиновой зонд.
Методы биофизики
3. Метод ядерного магнитного
резонанса – ЯМР - это явление
резкого возрастания поглощения энергии
электромагнитной волны системой
атомных ядер, помещенных во внешнее
магнитное поле, при резонансной частоте
переменного магнитного поля. ЯМР
основан на использовании собственного
магнитного момента ядра атома.
Методы биофизики
4. Метод флюоресцентной спектроскопии.
С помощью специальных молекул
(флуоресцентный зонд), которые
флуоресцируют в специфических
условиях (связываются с мембраной,
ионом или другой молекулой),
регистрируется заряд или гидрофобность
мембраны, содержание ионов или других
молекул, а также величина мембранного
потенциала.
Методы биофизики
5. Метод радиоактивных меток.
Принцип метода состоит в подборе
соответствующего изотопа или
комплекса изотопа с другой
молекулой вещества, введении
препарата в среду, клетку, организм и
регистрации скорости его
поступления, распределения и
выведения радиоактивной метки.
Методы биофизики
6. Метод регистрации
биопотенциалов клетки.
7. Метод регистрации
активности одиночных
каналов
Математическое моделирование
Математическое моделирование биологических
объектов представляет собой аналитическое
описание процессов и систем, адекватных
реальным.
Математические модели строятся либо на основе
экспериментальных данных либо умозрительно,
используя гипотезу
Выделяют два основных
принципа моделирования:
1. Функциональные модели описывают
временные и причинно-следственные
отношения между параметрами,
характеризующими функции
биологического объекта без учета его
структуры.
2. Структурные модели формируются с
учетом структуры объекта.
Значение биофизики для
теоретической и практической
медицины:
• 1. результаты исследования в различных
областях биофизики формируют
последовательность первичных механизмов
патофизиологического процесса
• 2 результаты исследования в различных
разделах биофизики позволяют разработать
основы медицинского приборостроения и
фармакологии лекарственных препаратов
В 1949 г. Лайнус Поллинг доказал, что при
серповидно-клеточной анемии именно
молекула аномального гемоглобина HbS
ответственна за приобретение
эритроцитами серповидной формы.
Установлено, что HbS отличается от HbА
лишь тем, что в β-цепях HbS в 6 положении
глутаминовая кислота заменена на валин.
В связи с этим, понимание молекулярного
механизма возникновения серповидноклеточной анемии позволило найти способ
лечения данного заболевания.
Связь биофизики с другими
науками:
1. Биохимия – изучение конформации молекулы
и элементарных актов межмолекулярных
взаимодействий в биохимических реакциях
2. Физиология – изучение молекулярных
процессов формирующих функциональный
ответ (биоэлектррогенез, рецепция,
фотосинтез, радиация, слух и т.д.).
3. Нанобиотехнология – анализ молекулярных
превращений (нанометровый диапазон,
пикосекндный временной интервал) для
использования в биотехнологии.