Материал: Биофизика методические указания по изучению дисциплины для студентов направления подготовки 06.03.01 Биология всех форм обучения

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»

Кафедра физики

БИОФИЗИКА

Методические указания по изучению дисциплины для студентов направления подготовки 06.03.01 «Биология» всех форм обучения

Санкт-Петербург

2018

Рассмотрены и рекомендованы к изданию Отделением естественнонаучного и гуманитарного образования

Санкт-Петербургскогогосударственноголесотехническогоуниверситета 25 декабря 2017 г.

Составители:

доктор физико-математических наук, профессор С. М. Герасюта, кандидат физико-математических наук, доцент А. М. Анненкова, кандидат биологических наук И. А. Давыдова

Отв. редактор кандидат физико-математических наук, доцент А. Б. Былев

Биофизика: методические указания по изучению дисциплины для студентов направления подготовки 06.03.01 «Биология» всех форм обу- чения/сост.:С.М.Герасюта,А.М.Анненкова,И.А.Давыдова.–СПб.: СПбГЛТУ, 2018. – 16 с.

Данное издание содержит методические указания к изучению теоретического курса по дисциплине «Биофизика». В нем рассмотрены темы: «Структура биофизики», «Становление биофизики как науки», «Биофизикаклетки,вчастности,мембранныйтранспорт»,«Колебательные процессы в биологических системах».

Методическиеуказанияпредназначеныдлястудентовнаправления подготовки 06.03.01 «Биология» всех форм обучения.

Темплан 2018 г. Изд. № 174.

1. ВВЕДЕНИЕ. СТРУКТУРА БИОФИЗИКИ. СТАНОВЛЕНИЕ БИОФИЗИКИ КАК НАУКИ

На1-мМеждународномбиофизическомсъездебылапринятамежду- народная классификация, согласно которой выделяются три основных раздела биофизики.

Молекулярная биофизика изучает структуру, свойства, физическую природу и энергетику сил внутримолекулярного и межмолекулярного взаимодействияимеханизмыфункционированиябиополимеров–бел- ков и нуклеиновых кислот.

Биофизикаклеткиисследуетструктуру,биоэнергетику,термодинамику и электрические свойства биологической клетки и ее органелл. Основное внимание уделяется биофизике мембран, как важных структурныхединицклетки.Пониманиемеханизмовфункцийклеткипозволяет объяснить работу органов, систем и организма в целом.

Биофизикасложныхсистемзанимаетсяизучениемимоделированием внутренних связей живых систем разной степени сложности и организации – от молекулярной до экологической.

Основой математического моделирования являются системы дифференциальных уравнений, где в качестве переменных выступают различные измеряемые величины: в биохимии – концентрация промежуточных веществ, в микробиологии – количество микроорганизмов, в экологии – численность вида.

Математическая биофизика – область на стыке математики, информатики и биологии – изучает модели биологических систем. Ее главная цель – проникновение в сущность биологических явлений путем построения системы физико-математических моделей, выявляющих закономерность процессов, которые протекают в живой природе.

Биофизикакакнаукавнастоящеевремяпереживаетбурныйрост, хотя становление биофизики заняло много времени. Во второй половине19веказародиласьбиофизикаклетки.Основойэтогонаучного направления стала клеточная теория, сформулированная МаттиасомЯкобомШлейденомиТеодоромШванном.Представлениеотом, что на поверхности клетки существует особый слой – мембрана,

3

окружающая цитоплазму,далотолчокразвитиюмембраннойтеории. Согласно этой теории мембрана полупроницаема и имеет липидную природу.

В20 в. новые открытия в физике обусловили мощный прорыв в области физического эксперимента и позволили выйти на молекулярный уровеньприисследованиистроениябиологическоговеществаисоздать новоебиологическоенаправление–молекулярнуюбиофизику.Посред- ством рентгеноструктурного анализа была установлена молекулярная структураматериальногоносителягенетическойинформацииДНК,что привело к созданию генной инженерии.

Значителенвкладроссийскихученыхвстановлениеиразвитиебиофизики. В 1953 г. Борис Николаевич Тарусов (1900 – 1977 гг.) создал первуюкафедрубиофизикинабиологическомфакультетеМГУ.Онавтор гипотезы о ведущей роли свободнорадикальных реакций перекисного окислениялипидоввразвитиипатологическихпроцессоввклетке.Глеб МихайловичФранк(1904–1976гг.)в1957г.создалИнститутбиофизи- ки АН СССР. Под его руководством решались задачи математического описания структурных изменений биополимеров.

В1950-хгг.БорисПавловичБелоусов(1893–1970гг.),российский

исоветскийхимикибиофизик,провелхимическуюреакцию,которая протекала по автоколебательному типу. Реакция Б. П. Белоусова определила развитие нового биофизического направления исследований автоволновой неустойчивости. Оно было важно для пониманияработысердца,мозга,кишечникаидругихпульсирующих органов.

Биофизические открытия дали возможность исследовать живые организмы с помощью современных физических методов. Так, изучение кардиограммпозволяетвыявитьзаболеваниясердца.Энцефалограммы характеризуютработумозга.Ультразвуковые,рентгеновскиеисследова- нияикомпьютернаятомография–методынадежнойдиагностикиряда заболеваний внутренних органов человека. Лазерную технику используют в хирургии и микрохирургии.

Потребности биологии, вышедшей на высокий экспериментальный уровень изучения жизненных процессов, привели к созданию теоретическойбиофизики.Вкачествемощногоинструментариявтеоретической биофизикеиспользуетсяматематическоемоделированиебиологических

иэкологических процессов.

4

2. БИОФИЗИКА КЛЕТКИ

Биофизика клетки исследует структуру, термодинамику, электрическиесвойствабиологическойклеткииееорганелл.Клеткадажевоптическом микроскопе предстает как неоднородная структура, в которой приопределенныхусловияхможноразличитьвакуоли,ядро,хромосомы

идругие органеллы и компоненты. Электронный микроскоп позволил увидеть еще и клеточные биологические мембраны, о существовании которых догадывались.

Биомембраны принимают участие во многих функциях клетки:

1)барьерная – предотвращение проникновения молекул в клетку

иудаления от нее;

2)транспортная – селективный перенос вещества в необходимом направлении;

3)энергетическая–синтезАТФнавнутреннихмембранахмитохон- дрий и хлоропластов;

4)электрическая – генерация биопотенциалов и распространение нервного импульса;

5)рецепторная – обонятельная, зрительная, акустическая. Физические свойства липидных молекул позволяют получить двух-

липидный слой, основу любой биомембраны. Липидная молекула со- стоитиздвухчастей–полярной(гидрофильной)головкиинеполярно- го (гидрофобного) углеводного хвоста. Все липидные молекулы амфифильны: одна их часть растворима в одном растворителе, другая –

вдругом.Гидрофобныехвостыпредставляютсобойостаткинасыщенных иненасыщенныхжирныхкислотинерастворимывводе,поэтомувводныхрастворахстремятсясоединиться.Принизкойконцентрациивводе липиды способны образовывать ми- целлы,представляющиесобойсферические молекулярные образования,

вкоторых липиды ориентированы

гидрофобными хвостами внутрь, а в то же время гидрофильные головки образуютвнешнююповерхность,граничащую с водной фазой (см. рисунок).

Всилуфизическихсвойствлипиды

вбиомембране ориентированы так, что образуются два плоских слоя молекул: гидрофобные хвосты, как и в

5