Розділ 1. Характеристика біофізики як природничої науки 14

Зміст

ПЕРЕДМОВА 10

Вступ 14

РОЗДІЛ 1. ХАРАКТЕРИСТИКА БІОФІЗИКИ ЯК ПРИРОДНИЧОЇ НАУКИ 14

1.1. Визначення біофізики як науки 14

1.2. Методологічні питання біофізики та її місце в системі природничих наук 15

1.3. Специфіка природничо-наукового знання. Поняття "емпірич­ного узагальнення" В.І. Вернадського, парадигми і "забороненої зони" в науці 17

1.4. Історія розвитку біофізики та її становлення як самостійної галузі природничої науки_ 22

1.5. Специфіка біологічних об’єктів 24

1.6. Головні напрями біофізики 27

Контрольні запитання 29

Частина І. Теоретична біофізика 30

РОЗДІЛ 2. КЛАСИЧНА (РІВНОВАЖНА) ТЕРМОДИНАМІКА

БІОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ 30

2.1. Визначення термодинаміки як науки 30

2.2. Класифікація термодинамічних систем 32

2.3. Рівноважний, стаціонарний і перехідний стан термодинамічної системи 34

2.4. Перше начало термодинаміки і його вживаність до біологічних систем 36

2.5. Ентальпія і внутрішня енергія – функції стану термодинамічної системи 41

2.6. Закон Геса 43

2.7. Друге начало термодинаміки. Самочинний, термодинамічно оборотний і необоротний процеси_ 44

2.8. Коефіцієнт корисної дії. Ентропія системи 46

2.9. Друге начало термодинаміки для відкритих систем 49

2.10. Принцип Л. Больцмана. Термодинамічна ймовірність 52

2.11. Біологічні системи і вільна енергія Гібса 54

2.12. Екзергонічні, ендергонічні та поєднані процеси 58

2.13. Хімічна рівновага. Оборотні і необоротні процеси 60

2.14. Закон діючих мас. Рівняння ізотерми 62

2.15. Принцип Лє Шателіє 64

2.16. Хімічний та електрохімічний потенціали 65

2.17. Приклади застосування класичної термодинаміки в біофізичній хімії білків та нуклеїнових кислот 68

РОЗДІЛ 3. НЕРІВНОВАЖНА ТЕРМОДИНАМІКА БІОЛОГІЧНИХ

СИСТЕМ - ТЕРМОДИНАМІКА НЕОБОРОТНИХ ПРОЦЕСІВ 71

3.1. Зміна ентропії у відкритих системах. Рівняння балансу ентропії 73

3.2. Швидкість зміни ентропії у відкритих системах. Швидкість продукції ентропії 75

3.3. Лінійний закон термодинаміки необоротних процесів. Термодинамічні потоки і сили_ 78

3.3.1. Дисипативна функція 79

3.4. Прямі і перехресні процеси перенесення 80

3.5. Принцип симетрії лінійних коефіцієнтів - теорема Онзагера 81

3.6. Теорема Прігожіна 82

3.7. Баланс ентропії в рослині 85

3.8. Спроба аналізу суспільних явищ з позицій термодинаміки необоротних процесів_ 91

Контрольні запитання 101

Приклади розв’язання задач 103

Задачі для самостійного розв’язання 107

Частина II. Молекулярна біофізика 111

РОЗДІЛ 4. БІОЛОГІЧНА РОЛЬ ВОДИ. РІВНОВАГА, ТРАНСПОРТНІ

ЯВИЩА ТА ЕЛЕКТРОХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ РОЗЧИНІВ ЕЛЕКТРОЛІТІВ 111

4.1. Вода в природі та життєдіяльності організмів 111

4.1.1. Кругообіг води в природі 111

4.1.2. Вміст і функції води в тканинах людини і тварин 113

4.2. Структура води, її аномалії 116

4.2.1. Водневий зв’язок 118

4.2.2. Структурні моделі рідкої води 122

4.2.3. Гідрофобні взаємодії 124

4.3. Взаємний вплив води і розчинених речовин 126

4.3.1. Гідратація іонів 127

4.3.2. Теорії гідратації 127

4.3.3. Взаємодія води з біомолекулами 129

4.3.4. Структура води в клітині 131

4.3.5. Радіаційно-хімічні перетворення молекул води 131

4.4. Уявлення про pH та його значення для біологічних рідин 132

4.4.1. Визначення pH 132

4.4.2. pH різних рідин організму людини 133

4.4.3. Зміна pH з температурою 135

4.4.4. Зміна pH при розведенні. Розведення сильних кислот 135

4.4.5. Розведення слабких кислот. Визначення pK 136

4.4.6. Розведення основ 137

4.4.7. Іонізація води 138

4.5. Узагальнення понять “кислота” і “основа” 139

4.5.1. Сила кислот і основ 140

4.5.2. Нейтралізація сильної кислоти сильною основою 141

4.5.3. Нейтралізація основ і кислот, сили яких різняться 142

4.6. Кислотно-основні буферні системи і розчини 142

4.6.1. Класифікація кислотно-основних буферних систем 144

4.6.2. Механізм буферної дії 145

4.6.3. Рівняння Гендерсона-Гасельбаха 146

4.6.4. Буферна ємність 148

4.7. Буферні системи крові 150

4.7.1. Плазма крові. Гідрогенкарбонатна буферна система 151

4.7.2. Плазма крові. Фосфатна буферна система 153

4.7.3. Плазма крові. Білкова буферна система 154

4.7.4. Еритроцити. Гідрогенкарбонатна, фосфатна і білкова буферні системи 155

4.7.5. Кислотно-основний гомеостаз організму 156

4.8. Електрохімічні властивості розчинів 160

4.8.1. Відхилення властивостей розведених розчинів електролітів від законів Рауля і Вант-Гофа. Ізотонічні розчини_ 163

4.8.2. Електролітична дисоціація 165

4.8.3. Деякі положення теорії розчинів сильних електролітів 173

4.8.4. Іонні властивості водних розчинів електролітів 179

4.8.5. Роль електролітів в процесах життєдіяльності 183

4.8.6. Електродний та окисно-відновний потенціали. Електроди порівняння 187

4.8.7. Потенціометрія, амперометрія, полярографія 190

Контрольні запитання 198

Приклади розв’язання задач 201

Задачі для самостійного розв’язання 204

РОЗДІЛ 5. ФІЗИЧНІ ТА фізико-хімічні методи В БІОТЕХНОЛОГІЇ 204

5.1. Методи розділення біооб’єктів 205

5.2. Методи ідентифікації речовин 215

5.3. Загальна характеристика спектральних методів аналізу 222

5.3.1. Енергія та природа випромінювання 222

5.3.2. Закономірності поглинання електромагнітного випромінювання 227

5.4. Ультрафіолетова (електронна) та видима спектроскопія 228

5.5. Інфрачервона (коливальна) спектроскопія 235

5.6. Флуоресцентна спектроскопія (спектрофлуорометрія) 240

5.7. Ядерний магнітний резонанс 246

5.8. Електронний парамагнітний резонанс 254

5.9. Мас-спектрометрія 256

Контрольні запитання: 260

Приклади розв’язання задач 262

Задачі для самостійного розв’язання 263

Частина III. Біофізика клітинних процесів 265

РОЗДІЛ 6. СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ І ФУНКЦІОНУВАННЯ

БІОЛОГІЧНИХ І ШТУЧНИХ МЕМБРАН 265

6.1. Загальна характеристика біомембран 265

6.1.1. Клітина як елементарна жива система 265

6.1.2. Мембрана як універсальний компонент біологічних систем 268

6.1.3. Біоелектрохімічна складова біофізики мембран 269

6.2. Типи біологічних мембран 272

6.3. Структура та функції біомембран 277

6.4. Статичні моделі біологічних мембран 287

6.5. Штучні мембрани 291

6.6. Мембранні методи в біотехнології 297

6.6.1. Мікрофільтрація 298

6.6.2. Діаліз, електродіаліз 299

6.6.3. Зворотний осмос 300

6.6.4. Ультрафільтрація 301

Контрольні запитання 302

Приклади розв’язання задач 304

Задачі для самостійного роз’язання 305

РОЗДІЛ 7. БІОЕЛЕКТРОХІМІЯ ПРОЦЕСІВ ТРАНСПОРТУ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ І БІОЕЛЕКТРОГЕНЕЗ 306

7.1. Біоелектрохімія процесів транспорту речовин через біологічні мембрани 306

7.1.1. Дифузія в біологічних системах 307

7.1.2. Проникність біологічних мембран 309

7.1.3. Пасивний транспорт 311

7.1.4. Активний транспорт 324

7.2. Перенос іонів і біоелектричні потенціали 328

7.2.1. Потенціал спокою 332

7.2.2. Натрієвий насос 342

7.2.3. Порушення розподілу іонів. Потенціал дії 346

7.2.4. Постсинаптичні потенціали 356

7.2.5. Генераторні потенціали 357

Контрольні запитання: 360

Приклади розв’язання задач 362

Задачі для самостійного розв’язання 365

Частина IV. Біофізика складних систем 369

РОЗДІЛ 8. ДІЯ ФІЗИЧНИХ ФАКТОРІВ НА БІОЛОГІЧНІ ОБ’ЄКТИ 369

8.1. Механізм біологічної дії електромагнітних полів (радіочастотний діапазон) 369

8.2. Дія на біологічні об’єкти випромінювання оптичного діапазону 379

8.2.1. Дія ультрафіолетового випромінювання 381

8.3. Дія іонізуючого випромінювання 384

8.3.1. Дози іонізуючого випромінювання 386

8.3.2. Вплив іонізуючого випромінювання на живі організми 392

8.3.3. Кількісна оцінка радіопошкоджень 394

8.3.4. Застосування іонізуючого випромінювання в медицині 395

8.4. Дія електричного струму на організм 398

8.5. Біофізичні аспекти власних випромінювань організмів 401

8.5.1. Види електромагнітного і акустичного власного випромінювання людини 402

8.5.2. Електрофізіологія 406

8.5.3. Магнітографія 407

8.5.4. Інфрачервоне теплобачення 411

8.5.5. Біолюмінесценція 411

Контрольні запитання 413

Приклади розв’язання задач 415

Задачі для самостійного розв’язання 416

Список літератури 417

ПЕРЕДМОВА

“Друга половина ХХ століття відмічена стрімким прогресом біологічних знань та їх практичного застосування в різноманітних сферах життя сучасного суспільства. По суті, інтерес людини до живої природи ніколи не згасав, але лише останні десятиліття дозволили наблизитися до розуміння дивовижних таємниць життєдіяльності і на цій основі зробити рішучий крок у використанні найновіших біологічних відкриттів.”

Академік Ю.О. Овчинніков

Ця цитата є однією з багатьох тверджень, що ХХІ століття стане епохою біології, а всі інші науки відійдуть на другий план. Здійснюється передбачення великого фізика сучасності Н. Бора, який в 50-х роках попереднього століття неодноразово декларував, що у найближчому майбутньому інтенсивне проникнення в таємниці природи стане преференцією не фізики, а саме біології. У своїй більшості сучасна наукова література у тій або іншій мірі присвячена дослідженню живої природи. Проблемами біологічних систем сьогодні переймаються десятки наук.

Дуже продуктивними виявляються і науки, які пов’язані з втіленням у життя сучасних біологічних досягнень. Так, наприклад, вирішення багатьох ключових проблем сучасності – таких як виробництво енергії, продуктів харчування, багатьох ліків та інших корисних речовин, забезпечення сталості та поліпшення якості середовища проживання пов’язане з активним впровадженням в життя біотехнологій (рис. 1.1).

Такий стрімкий прогрес біології був би неможливим без її активної взаємодії з іншими науками. Визначальна відмінність сучасного стану науки у тім, що безліч досліджень відбувається на перетині наук, і для практичного вирішення проблеми необхідно залучати вчених різноманітних спеціальностей. Більше того, багато хто з вчених сьогодні, за часу вузької спеціалізації, змушений оволодівати суміжними спеціальностями, і багато які з сучасних досліджень важко віднести до якоїсь однієї галузі науки. При вирішенні біотехнологічних проблем тісно переплітаються ідеї і методи біології, фізики, хімії, математики та інших областей знання. В сучасній науці на межі фізики, хімії та біології виникла низка нових наук, які відрізняються цілями, методами та об’єктами дослідження. Усі ці науки почасти об’єднують під терміном “фізико-хімічна біологія”, до якої відносять біофізику, біохімію, хімію природних сполук (біоорганічну і біонеорганічну хімію), молекулярну біологію, генетику і множину суміжних дисциплін.

Рис. 1.1. Роль біотехнології у вирішенні глобальних проблем людства

Саме проблеми взаємодії фізики з біологічними та хімічними дисциплінами та їх застосування в біотехнології і буде предметом нашого розгляду. Наочним прикладом тісного зв’язку фундаментальних природничих дисциплін з біофізикою може бути структура (спецкурси) біофізичної освіти на фізичному факультеті МДУ ім. М.В. Ломоносова (Російська Федерація): загальна біологія, фізична хімія, фізіологія людини і тварин, біохімія, нелінійна динаміка і самоорганізація в біосистемах, квантова хімія і будова молекул, радіоелектроніка в біофізиці, спектроскопічні методи в біофізичних і медико-біологічних дослідженнях, оптичні, електричні і магнітні властивості молекул, статистичні методи в біофізиці, біоенергетика, основи молекулярної біології, біофізика клітини, медична біофізика, біофізика фотосинтезу і екологія (всього 980 годин).

Бурхливий розвиток біотехнології, який спостерігається останнє десятиліття, виявив нагальну необхідність підготовки висококваліфікованих фахівців – біотехнологів, які не тільки володіють ґрунтовними знаннями у сфері професійно-орієнтованих дисциплін, але й мають достатню фундаментальну теоретичну і практичну підготовку в царині фізико-хімічної біології і суміжних з нею дисциплін; спеціалістів, здатних проводити наукові дослідження, залучаючи для цього фізичні, хімічні, біофізичні, електрохімічні та біохімічні методи; спеціалістів, здатних у подальшому удосконалювати і поглиблювати свої знання самостійно після закінчення вищого учбового закладу в процесі своєї практичної діяльності. І однією з базових дисциплін, яка в повній мірі відповідає цим вимогам, є “Біофізика”. Автори підручника вважають головним завданням цього курсу не тільки традиційне засвоєння певних теоретичних положень, практичних умінь і навичок, а і розвиток у студентів здібностей до аналізу, узагальнень і ефективного застосування у практичній діяльності інженера-біотехнолога отриманих знань з біофізики.

Мультидисциплінарність біофізики зумовлює і широту її методологічної основи. Автори даного підручника намагалися охопити широке коло проблем теорії й практики біофізики та підкреслити її тісні зв’язки із суміжними науками. Підручник охоплює широкий спектр розділів біофізики, які є важливими і необхідними, перш за усе, для таких напрямків біотехнології та біотехніки як молекулярна, екологічна, фармацевтична, промислова та аграрна біотехнологія, біоенергетика та біоінформатика. Особливу увагу приділено питанням, які мають безпосереднє відношення до практичної і наукової діяльності інженерів – біотехнологів: ролі біофізики у структурі головних напрямів біотехнології, рівноважній і нерівноважній термодинаміці біологічних систем, молекулярній біофізиці, транспорту речовин через біологічні мембрани, біоелектрохімії та біоелектричним потенціалам, розгляду власних фізичних полів (випромінювань) людини та дії фізичних факторів на біологічні об’єкти, методам аналізу біологічних систем і біотехнологічних продуктів зокрема.

В основу пропонованого підручника покладено курс лекцій, які автори протягом останніх років читають студентам факультету біотехнології і біотехніки Національного технічного університету України «КПІ».

Автори висловлюють свою щиру подяку академіку НАН України Кухарю В.П. (Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України), професору Гвоздяку П.І. (Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України), професору Горобцю Ю.І. (Інститут магнетизму НАН та МОН України), професору Новикову В.П. (Національний університет "Львівська політехніка" МОН України) та професору Пирог Т.П. (науково-методична комісія з напряму 051401 «Біотехнологія» МОН України) за цінні поради щодо змісту підручника, а також співробітникам кафедри екобіотехнології та біоенергетики асистенту Пньовській О.М. та старшому лаборанту Саманю О.П. за допомогу у підготовці його макета.

Дата добавления: 2015-08-29