WWW.METODICHKA.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Методические указания, пособия
 

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 ||

«Учебно-методический комплекс по дисциплине (модулю) Биофизика Специальность 020201.65 – биология (код по ОКСО) Квалификация выпускника биолог Форма обучения Очная Согласовано: ...»

-- [ Страница 6 ] --

Время жизни триплетного состояния значительно превышает времена жизни синглетных состояний. Оно лежит широком диапазоне от 10 -6 сек до минут.

Возбужденные состояния молекул обладают повышенной реакционной способностью. Поэтому многие реакции идут с ощутимой скоростью только, если хотя бы один из участников реакции находится в возбужденном состоянии.

Молекулы биополимеров содержат десятки хромофорных групп. Поглощение кванта света отдельной группировкой приводит к тому, что реакционная способность увеличивается локально, именно в том место, где локализована эта хромофорная группировка. Возможен, однако, и другой исход, когда поглощает свет одна группировка, но энергия переносится на другую и уже эта группировка вступает в химическую реакцию или высвечивает квант (сенсибилизированная люминесценция).



§12. МИГРАЦИЯ ЭНЕРГИИ Энергия поглощенного кванта света может быть перенесена от одной молекулы к другой или от одной группировки к другой внутри молекулы без излучения кванта света. Под миграцией энергии понимают именно безызлучательный перенос энергии между сближенными в пространстве хромофорами.

Схематически этот процесс можно изобразить так:

D A DA где D - донор энергии А - акцептор энергии * - знак возбужденного состояния Существует несколько физических механизмов миграции энергии.

Индуктивно-резонансный механизм состоит в том, что молекула донора энергии, находясь на нижнем колебательном подуровне возбужднного состояния, индуцирует в молекуле акцептора энергии колебания, соответствующие одному из верхних колебательных подуровней возбужденного состояния акцептора. При этом энергия от донора передатся акцептору. Затем молекула акцептора переходит на нижний колебательный подуровень возбужденного состояния, и обратный перенос энергии на молекулу донора становится маловероятным.

Вероятность миграции энергии по этому механизма обратнопропорциональна шестой степени расстояния между молекулами донора и акцептора.

Этот механизм эффективен на расстояниях 3-10 нм.

Чем больше перекрываются спектр флуоресценции донора и спектр поглощения акцептора, тем больше вероятность миграции энергии по этому механизму.

По индуктивно-резонансному механизму мигрирует энергия между ароматическими остатками в белках. Флуоресценция белков обусловлена, главным образом, остатками триптофана, так как энергия с тирозина и фенилаланина мигрирует на остатки триптофана. Индуктивно-резонансный механизм миграции энергии тлеет место при фотосинтезе между молекулами хлорофилла, образующими антенну.

Обменно-резонансный механизм миграции энергии обусловлен перекрытием электронных волновых функций донора и акцептора. Чем больше это перекрьгвание, тем больше вероятность миграции энергии по данному механизму. Обменно-резонансный механизм миграции эффективен на расстояниях

0.I - 0.3 нм между донором и акцептором. По обменно - резонансному механизму происходит миграция с синглетного возбужденного уровня хлорофилла на триплетный уровень каротиноидов.

В молекулярных кристаллах миграция энергии может происходить по экситонному механизму. Экситон - это связанные электрон и дырка. Эта квазичастица электрически нейтральна. Диффузия экситона по молекулярному кристаллу означает перенос энергии от одного узла рештки к другому.

Экситонные уровни расположены чуть ниже дна зоны проводимости в полупроводниках. Столкновение зкситона с фононом может привести к распаду его на электрон и дырку, которые могут выступать в химических реакциях как восстановитель и окислитель соответственно. Распад экситона может происходить на дефектах кристаллической рештки и примесных центрах.

Участие экситонного механизма миграции энергии предполагалось в первичных стадиях фотосинтеза.

В зависимости от электронной структуры молекул, их взаимного расположения, фазового состояния может доминировать тот или иной механизм миграции энергии. Соответственно и зависимость миграции энергии от температуры, диэлектрической проницаемости, расстояния между молекулами и других физических параметров определяется этими обстоятельствами. Миграция энергии играет важную роль в фотобиологических процессах - фотосинтезе, фото динамическом эффекте и других.

§13 ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ В БИОСТРУКТУРАХ

Многие важные для функционирования клетки механизмы связаны с переносом электронов по транспортным цепочкам. Наиболее изучены в этом отношении транспортная цепь митохондрий и хлоропластов.





В митохондриях электрон-транспортная цепь переносит электроны от

НАДН на кислород. Схема цепи дана ниже:

НАДН ФП ЦИТb ЦИТс ЦИТа О2 Q Каковы физические основы переноса электронов по этой цепи ?

Каждый участник транспортной цепи может быть охарактеризован окислительно-восстановительным потенциалом (редокс-потенциалом) - величиной, характеризующей способность вещества принимать электроны. Чем больше редокс-потенциал, тем сильнее сродство вещества к электрону.

E E0 RT / nF ln ок / восст (5)

–  –  –

Физико-химические справочники содержат значения Е0 для различных веществ при температуре t0 = 20°С. Пара НАД+ / НАДН имеет Е0 = - 0.32 в, а пара 1/2 О2 / Н2О имеет стандартный потенциал равный плюс 0.82. в. Это значит, что при физиологических концентрациях НАД +, НАДН, О2, и Н2О электроны будут переноситься с НАДН на кислород, так как окислительновосстановительный потенциал кислорода значительно больше, чем потенциал НАДН.

Промежуточные участники транспорта электронов имеют редокс потенциалы между -0.32 в и +0.82 в.

Таким образом, направленность транспорта электронов задатся пространственным расположением участников транспорта и их окислительновосстановительными потенциалами.

Соотношение редокс - потенциалов создат лишь термодинамические предпосылки для переноса электронов. Скорость же процесса зависит ещ и от высоты энергетического барьера, который необходимо преодолеть при переносе электрона от одного участника к другому.

Обычно энергия, необходимая для преодоления барьера, доставляется тепловым движением молекул. Поэтому скорость транспорта увеличивается с температурой в соответствии с уравнением Аррениуса:

–  –  –

Однако, в некоторых случаях наблюдается практически независимость скорости переноса электронов от температуры.. Например, перенос электронов от цитохрома с к возбужднной молекуле бактериохлорофилла при фотосинтезе пурпурных бактерий в диапазоне температур 140 - 4°К не зависит от температуры. Для объяснения этого явления привлекли теорию туннельного эффекта.

Суть этого эффекта состоит в том, что электрон может перейти от донора к акцептору и под энергетическим барьером, то есть без дополнительной энергии. Эта возможность обусловлена волновыми свойствами электрона.

Вероятность подбарьерного перехода тем больше, чем ниже барьер и чем меньше его толщина (то есть, чем меньше расстояние между донорным и акцепторным участками). Количественно вероятность туннелирования описывается формулой Гамова:

–  –  –

Как видим, вероятность туннелирования довольно велика. Из формулы (7) видно, что ширина барьера сильно влияет на вероятность туннелирования. Это значит, что сближение в пространстве донора и акцептора электронов может существенно увеличивать вероятность туннелирования электронов.

Для необратимости процесса туннелирования электрона необходимо, чтобы после перескока электрона на акцептор часть энергии диссипировала в тепло. Следовательно, переносчики электрона должны обладать такими свойствами, которые обеспечивают необходимую скорость диссипации электронной энергии в тепло после туннелирования.

Диссипация электронной энергии в тепло при туннелировании может обеспечиваться либо взаимодействием электрона с окружающими его молекулами, либо электронно-колебательными взаимодействиями в молекуле самого переносчика.

Процесс диссипации электронной энергии в тепло происходит очень быстро - за 10-12 – 10-13сек (это характерные времена колебания ядер). После того как электрон перешл на акцептор и часть электронной энергии диссипировала в тепло, начинается новый процесс - конформационный переход к новому равновесному расположению ядер в молекуле акцептора. Этот процесс занимает гораздо больше времени – 10-3-10-6 сек. Причиной конформационного перехода в данном случае является перенос электрона от донора к акцептору. Поэтому в целом этот процесс (конформационный переход, вызванный взаимодействием с электроном) получил название электронно-конформационного взаимодействия.

Расстояния, на которые перемещаются ядра при конформационных переходах, могут достигать нескольких ангстрем.

Каково функциональное предназначение электронно-конформационных взаимодействий?

Если бы переносом электрона от донора на акцептор вс и заканчивалось, то конформационный переход в молекуле акцептора был бы не нужен. Но электрон должен двигаться дальше к следующему переносчику. Поэтому необходимо создать условия для перескока электрона на очередную молекулу акцептроа. Этой цели и служит конформационный переход в переносчике, получившем электрон. В результате конформационного перехода атомные группировки могут перемещаться таким образом, что вероятность перескока электрона на следующий переносчик становится большой (например, происходит сближение донорного участка в одной молекуле с акцепторным участком - в другой).

Таким образом, конформационные переходы в белках-переносчиках обеспечивают перенос электрона по цепи, участники которой фиксированы в мембране.

§14 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА

Физическая химия объясняет кинетику химических реакций с использованием понятия активированного комплекса. Участники реакции образуют комплекс, который затем дат продукты реакции. Константа скорости реакции согласно этой концепции записывается в виде:

–  –  –

Экспериментально установлено, что ферментативный катализ идт через образование фермент-субстратного комплекса (ФСК). Субстрат адсорбируется на поверхности фермента и теряет подвижность, а это означает, что энтропия его уменьшается. Образование активированного комплекса реагирующими молекулами сопровождается уменьшением энтропии, так как из двух кинетически независимых частиц образуется одна. Переход из основного состояния в переходное может сопровождаться как уменьшением энтропии, так и увеличением энтропии. В первом случае внутримолекулярные движения затормаживаются, в о втором растормаживаются. Если исходно энтропия ФСК снижена за счт взаимодействия субстрата с ферментом, то при переходе в состояние активированного комплекса она при прочих равных условиях увеличится. Это означает увеличение предэкспоненциального множителя, и, значит, ускорение реакции.

Другой эффект, приводящий к ускорению реакции, связан с уменьшением высоты энергетического барьера на пути реакции, то есть энтальпии активации.

Взаимодействие субстрата с атомными группировками фермента может привести к ослаблению химической связи, которая должна быть разорвана. Это и значит уменьшение высоты энергетического барьера. Ослабление связи происходит при смещении электронной плотности за счет взаимодействия с атомными группировками аминокислотных остатков, образующих активный центр фермента.

Механизмы ускорения химической реакции в каждом конкретном случае специфичны. В одном случае важное значение может иметь энтропийный член, в другом - энергетический.

При исследовании механизмов ферментативных реакций используются различные подходы. В последние годы шире начали использовать молекулярное моделирование ферментов. Например, интересные результаты получены с использованием каталитических антител. Субстрат какого-либо фермента модифицируют так, чтобы при его введении в организм образовывались соответствующие антитела. Затем исследуют каталитические свойства этих антител с использованием исходного субстрата.

Так, было показано, что помещение субстрата в гидрофобный карман фермента с низкой диэлектрической проницаемостью может увеличивать скорость реакции в 104 раз.

ВОПРОСЫ

1. Дайте общую характеристику роли белков и нуклеиновых кислот в физиологии клетки.

2. Дайте определения первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур.

3. Каковы силы, определяющие стабильность различных уровней организации макромолекул?

4. Какова роль слабых сил в функционировании биополимеров?

5. Что такое гидрофобные взаимодействия и какова их роль в формировании биологических структур?

б. Рассмотрите модель свободно-сочленнной цепи и обсудите е поведение.

7. Обсудите кооперативные свойства структуры биополимеров и роль фазовых переходов в них.

8. Дайте количественное описание фазовых переходов в биополимерах.

9. Обсудите возможности теоретического предсказания высших уровней организации молекул белков по их первичной структуре.

10. Рассмотрите различные методы исследования макромолекул и возможности этих методов.

II. Рассмотрите роль конформационных переходов в мышечном сокращении, активном транспорте и ферментативном катализе.

12. Обсудите вопрос о возможности существования форм жизни, основанных на низкомолекулярных соединениях (без макромолекул).

13. Изменились ли, на Ваш взгляд, факторы, определяющие эволюцию макромолекул, после возникновения клетки и многоклеточных организмов?

14. Можете Вы по первичной структуре или физико-химическим свойствам отличить биополимеры от искусственных полимеров?

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ

–  –  –



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 ||
Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт биологии Кафедра анатомии и физиологии человека и животных Лепунова О.Н. ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКИХ ЗНАНИЙ Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов 06.03.01 направления «Биология», профили: ботаника, зоология, физиология, генетика, биоэкология, биохимия; форма обучения – очная...»

«РАБОЧАЯ ПРОГРАММА по предмету «Экология Москвы и устойчивое развитие» 10(11) КЛАСС (базовый уровень) на 2014-2015 учебный год 10 «А», «Б», «В», «Г»Учитель биологии и экологии: Смагина Нелли Александровна Количество уч. недель: 36 Количество учебных часов: 36ч. Программа: программа общеобразовательных учреждений: Экология Москвы и устойчивое развитие, 10(11) класс/составители Г.А. Ягодин, М.В. Аргунова, Т.А. Плюснина, Д.В. МоргунМосква, МИОО Комплект обучающегося: Экология Москвы и устойчивое...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт биологии Кафедра экологии и генетики С. И. Шаповалов Основы экологии Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов по направлению подготовки 080200.62. Менеджмент (уровень бакалавриата) форма обучения очная и заочная Тюменский государственный университет Шаповалов С. И. Основы...»

«МЕТОДИКА ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ С ИСТОЧНИКАМИ ИНФОРМАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ БИОЛОГИИ Матюшкина М. П., Боброва Н. Г. Поволжская государственная социально-гуманитарная академия Россия, Самара Информация – сведения в письменной или устной форме и, одновременно, процесс передачи или получения сведений различными способами. Информационная деятельность – это такая деятельность школьников, при которой организуется работа с любыми источниками информации с целью получения сведений, подтверждающих положения...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт Биологии Кафедра ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры Алексеева Н.А. ГЕОГРАФИЯ РАСТЕНИЙ Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 35.03.10 Ландшафтная архитектура профиль подготовки «Садово-парковое и ландшафтное строительство» очная форма обучения...»

«Методические рекомендации по применению МОНКЛАВИТА-1 лекарственного средства для животных, для обработки инкубационных и выводных шкафов и для санации воздушной среды животноводческих помещений (выпуск восьмой, дополненный) Санкт-Петербург 2012-2015 Страница 1 из 32 СОДЕРЖАНИЕ: Раздел Стр.1.Предпосылки к созданию препарата 3 2.Общие сведения о препарате 4 3.Биологические свойства 4 4.Апробация препарата 5 5.Общие показания к применению 5 6.Показания к применению для мелких домашних животных 7...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт Биологии Кафедра ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры Алексеева Н.А. БОТАНИКА Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 35.03.10 Ландшафтная архитектура профили подготовки «Садово-парковое и ландшафтное строительство», «Декоративное растениеводство...»







 
2016 www.metodichka.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Методички, методические указания, пособия»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.