ЛЕКЦИЯ 1 Тема: «Определение предмета биофизики»

План лекции: 1. Краткая история формирования дисциплины. 2. Цели, задачи и методы исследования современной биофизики. 3. Основные разделы биофизики. 4. Значение биофизики для теоретической и практической медицины. 5. Связь биофизики с другими науками.

Биофизика - это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, которые протекают в биологических системах на разных уровнях организации и являются основой физиологических актов. Биофизика - это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, которые протекают в биологических системах на разных уровнях организации и являются основой физиологических актов.

Краткая история формирования дисциплины 1. В трудах основоположника учения о кровообращении, английского врача и анатома Гарвея (16в-17в) были использованы прямые наблюдения на людях и применено учение о гидродинамике. 2. Принципы механики использовал Дж. Борели (17в.) для объяснения физических основ ходьбы, бега, плавания, полета.

Краткая история формирования дисциплины 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 проводил теоретические работы по термодинамике, в области цветного зрения (теория " трехкомпонентного цветного зрения"). 5. Значительный вклад в развитие биофизики внёс А. Л. Лавуазье. Он доказал, что дыхание животных равнозначно окислению и горению веществ.

Краткая история формирования дисциплины 6. В конце 18 в. Л. Гальвани и А. Вольт установили наличие животного электричества и химического источника электрического тока в живом организме. 7. Юлиус Роберт Майер ( ) в 1842 г. дал формулировку первого закона термодинамики для живых организмов.

Краткая история формирования дисциплины 8. В 1886 г. немецкий исследователь Ю. Бернштейн зарегистрировал потенциал действия, который возникал и развивался по принципу " всё или ничего". 9. Г. Гельмгольц в гг. выпустил трехтомник по физиологической оптике. Он разработал офтальмологическое зеркало, экспериментально обосновал трехкомпонентную гипотезу цветового зрения. В области физиологии слуха разработал резонансную теорию слуха.

Краткая история формирования дисциплины 10. В 1920 г. Нобелевская премия присуждена В. Нернсту за создание ионной теории биоэлектрических явлений (происхождение потенциала действия и покоя). 11. Следует отметить труды другого Нобелевского лауреата А. Хилла по термодинамике мышечного сокращения. 12. Нобелевская премия 1963 г присуждена А. Ходжкину, А. Ф. Хаксли, Дж. Эклсому за создание 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 з з з зарегистрирована на международном уровне созданием Международного союза общей и прикладной биофизики.

Биофизика - интегративная наука, изучающая структуру, физические свойства и характеристики биологи- ческих объектов, фундаментальные взаимодействия молекул и молекуляр- ных комплексов, лежащие в основе физиологических реакций и биоло- гических явлений, а также влияние на биологические объекты различных физических факторов (света, ионизи- рующего излучения, температуры и т.д.).

Биофизика как наука отвечает трем основным требованиям: Биофизика как наука отвечает трем основным требованиям: 1. и меет свои собственные цели и задачи 2. с обственные объекты 3. с обственные методы исследования

Целью биофизики является изучение фундаментальных процессов, обеспечивающих основу жизнедеятельности всех без исключения живых организмов, независимо от уровня развития, эволюционной ступени, возраста индивидуума, среды обитания.

В задачу биофизики входит: 1. и зучение на молекулярном уровне структур субклеточных образований и механизмов их функционирования; 2. в ыявление общих законов (закономерностей) обмена веществ и энергии на уровне клетки и организмов; 3. и сследование молекулярных механизмов транспорта ионов, молекул через многочисленные и разнообразные мембраны, поверхности разделов и фаз; 4. и зучение молекулярных механизмов дыхания, подвижности;

В задачу биофизики входит: 5. исследование поглощения, размена энергии на химические превращения, влияние их на жизнедеятельность при действии энергии электромагнитных полей, проникающей радиации; 6. термодинамический анализ сложных систем с использованием законов классической термодинамики и термодинамики неравновесных процессов; 7. кинетический аналитический подход к изучению сложных систем и предсказание их поведения.

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 дезактивации поглощенной энергии, химические превращения электронно- возбужденных молекул, образование фотопродуктов и молекулярные взаимодействия, лежащие в основе фотобиологических процессов и явлений.

Разделы биофизики: 2. Молекулярная биофизика изучает пространственную структуру биополимеров, исследует механизмы функционирования макромолекул. 3. Биофизика клетки (Мембранология) изучает структуру и функции биологических мембран, процессы транспорта веществ через мембрану, биоэлектрические процессы, электропроводность.

Разделы биофизики: 4. Биофизика сложных систем изучает термодинамику и кинетику биологических процессов. 5. Кинетика биологических процессов рассматривает скорости и механизмы протекания биохимических реакций, их взаимосвязь; биохимические реакции, лежащие в основе физиологических процессов и биологических явлений.

Разделы биофизики: 6. Фотобиология исследует влияние видимого и ультрафиолетового излучений на биообъекты, начиная от биополимеров и кончая растительными и животными организмами. 7. Радиационная биофизика исследует процессы взаимодействия ионизирующего излучения с биовеществом, размен энергии ионизирующего излучения на радиационно- химические реакции, развитие и исходы лучевого поражения как на уровне молекул и субклеточных образований, так и на уровне организма.

Методы исследования 1.Метод электронной микроскопии. Электронный микроскоп более чем в 500 раз превосходит разрешающую способность оптического микроскопа. Принцип его действия основан на том, что пучок электронов в магнитном или электрическом поле может сходиться в другой точке оси симметрии или расходиться из другой точки оси, другими словами поток электронов выполняет роль световой волны.

Методы исследования 2. Метод электронного парамагнитного резонанса – ЭПР – это явление резкого возрастания поглощения энергии электромагнитной волны системой парамагнитных частиц, помещенных во внешнее магнитное поле, при резонансной частоте волны ν рез. ЭПР основан на взаимодействии магнитных момен-тов неспаренных электронов молекулы с магнитным полем среды. Для ЭПР необходимы спиновые метки: - Если спин-меченный радикал связывается при помощи ковалентных связей, то это спиновая метка. - 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. -Если спин-меченный радикал связывается за счет электростатических или гидрофобных связей, то это спиновой зонд.

Методы исследования 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 волны ν рез. ЯМР основан на использовании собственного магнитного момента. ЯМР не модифицирует белки мембраны и поэтому позволяет получить сведения об интактной мембране.

Методы исследования 4. Метод флюоресцентной спектроскопии. Используются флюоресцентные зонды, которые связываются с мембраной. Связывание заряженных молекул зонда с мембраной зависит от плотности электрических зарядов в ней и при правильно подобранной концентрации интенсивность флюоресценции будет целиком зависеть от флюоресценции связанного с мембраной зонда. Это позволяет определить количество заряженных групп в мембране и величину трансмембранного потенциала. Используются флюоресцентные зонды, которые связываются с мембраной. Связывание заряженных молекул зонда с мембраной зависит от плотности электрических зарядов в ней и при правильно подобранной концентрации интенсивность флюоресценции будет целиком зависеть от флюоресценции связанного с мембраной зонда. Это позволяет определить количество заряженных групп в мембране и величину трансмембранного потенциала.

Методы исследования 5. Метод радиоактивных меток. Принцип метода состоит в подборе соответствующего иона, молекулы вещества, введении препарата в среду, клетку, организм и регистрации скорости его поступления, распределения в объеме, выведении радиоактивной метки.

Методы исследования 6. Метод регистрации биопотенциалов клетки. 7. Метод регистрации электропроводности.

Математическое моделирование как отдельный метод биофизики Математическое моделирование биологических объектов представляет собой аналитическое описание идеализированных процессов и систем, адекватных реальным. Математическое моделирование биологических объектов представляет собой аналитическое описание идеализированных процессов и систем, адекватных реальным. Математические модели строятся либо на основе экспериментальных данных либо умозрительно, используя гипотезу или известную закономерность какого-либо явления. Математические модели строятся либо на основе экспериментальных данных либо умозрительно, используя гипотезу или известную закономерность какого-либо явления.

Выделяют 2 основных принципа моделирования: 1. Функциональные модели отражают временные и причинно-следственные отношения между параметрами, характеризующими функции биологического объекта без учета его структуры. 2. Структурные модели строятся с учетом структуры объекта, отражающей его основные уровни.

Значение биофизики для теоретической и практической медицины: Во-первых, исследования в различных разделах биофизики позволили раскрыть механизмы возникновения и протекания патологических процессов в организме на молекулярном уровне Во-первых, исследования в различных разделах биофизики позволили раскрыть механизмы возникновения и протекания патологических процессов в организме на молекулярном уровне Во-вторых, исследования в различных разделах биофизики позволяет наметить пути лечения заболевания Во-вторых, исследования в различных разделах биофизики позволяет наметить пути лечения заболевания

В 1949 г. Лайнус Поллинг показал, что при серповидно-клеточной анемии именно молекула аномального гемоглобина HbS ответственна за приобретение эритроцитами серповидной формы. Он обнаружил, что HbS отличается от HbА лишь тем, что в β-цепях HbS в 6 положении глутаминовая кислота заменена на валин. Понимание молекулярного механизма возникновения серповидно-клеточной анемии позволило найти способ лечения данного заболевания.

Связь биофизики с другими науками: 1. Метод электронной микроскопии широко используется в гистологии, микробиологии, вирусологии. 2. Изучении кинетики биоэнергии – применяется в биохимии, физической и коллоидной химии. 3. Изменение транспорта веществ через мембрану - применяется в нормальная и патологическая физиология, фармакология.