ściąga.doc

Program biofizyki

l.Zasady termodynamiki: stan równowagi termodynamicznej, I zasada termodynamiki - równoważność pracy i ciepła, energia wewnętrzna; II zasada termodynamiki; - procesy odwracalne i nieodwracalne, pojęcie entropii, sformułowanie II zasady termodynamiki dla układów otwartych, stan stacjonarny. Zasada Progogine’a i, układy biologiczne jako układy otwarte.

Stan układu określają pewne wielkości fizyczne zwane parametrami. Jeżeli układ stanowi jedno proste ciało, jego stan określają następujące para­metry: objętość - V, ciśnienie p, temperatura T. Tylko dwa z tych parametrów są niezależne, gdyż są one związane zależnością funkcyjną, zwaną równaniem charakterystycznym. Znane jest np. równanie gazów, w którym podanie wartości dwóch parametrów przesądza wartość trzeciego.

Układ znajduje się w stanie równowagi, jeżeli parametry określające jego stan nie zmieniają się w czasie.

Przez energię wewnętrzną U układu rozumie się energię związaną z nieuporząd­kowanym ruchem cząsteczek czy atomów, zarówno energię kinetyczną, jak i potencjalną ich wzajemnego oddziaływania. Energia wewnętrzna może być przekazywana od jednego układu do drugiego w procesie wykonywania pracy, czy też przekazywania ciepła. Proces musi przebiegać zgodnie z zasadą zacho­wania energii, wyraża to pierwsza zasada termodynamiki: przyrost energii wewnętrznej U2 – U1 układu jest równy sumie dostarczonego mu ciepła Q i dostar­czonej pracy W, co można wyrazić wzorem:

U2 – U1=Q + W

Przyjmuje się, że ciepło Q i praca W są dodatnie, jeżeli zostaną do układu doprowadzone. Równanie powyższe można napisać w postaci:

Q=(U2–U1)+(–W)

Jeżeli (–W) oznacza pracę wykonaną przez układ, można powiedzieć: ciepło Q dostarczone układowi zużywa się na wzrost jego energii wewnętrznej U2 – U1 oraz na wykonaną przez układ pracę (—W).

Proces uważa się za odwracalny, jeżeli może zachodzić zarówno w pewnym kierunku, jak i przeciwnym wracając do stanu wyjściowego, nie pozostawiając zmian w otoczeniu.

Do procesów odwracalnych zalicza się procesy kołowe, w których układ powraca po każdym cyklu do stanu wyjściowego bez wprowadzenia zmian w otoczeniu. W tym znaczeniu odwracalny jest ruch wahadłowy, nie napotykający oporów.

Procesy makroskopowe zachodzące w przyrodzie są w zasadzie procesami nie odwracalnymi. Procesy te polegają na ogół na przemieszczaniu się materii energii, ładunków elektrycznych itp., ogólnie mówiąc na przepływach. Prze­pływy wywołują z kolei pewną destrukcję struktury układu, struktury zwią­zanej zarówno z odpowiednim uporządkowaniem elementów strukturalnych materii, jak i z istnieniem bodźców termodynamicznych, zwanych też myląco siłami termodynamicznymi czy uogólnionymi.

Entropia jest funkcją stanu określającą, w jakim kierunku mogą zachodzić procesy w układzie izolowanym.

II Zasada Termodynamiki: W układzie izolowanym procesy mogą zachodzić tylko w kierunku wzrostu entropii; w stanie równowagi entropia przyjmuje wartość stałą, maksymalną.

ΔS=0    S=Smax

Układ izolowany: dQe=0

Proces quasi – statyczny: ds.i=0

dS=0, S=const

Proces nieodwracalny: ds.i>0

dS>0, S2>S1

co sprowadza się do stwierdzenia: w układzie izolowanym entropia nie może maleć.           dS≥0

              Układ wymieniający ciepło z otoczeniem: dQe≠0

Proces quasi – statyczny: dSi=0

dS=dQe/T

Proces nieodwracalny: dSi>0

dS>dQe/T

W układach wymieniających ciepło z otoczeniem przyrost entropii dS nie może być mniejszy od dQe/T

dS≥dQe/T

Organizmy żywe są układami otwartymi i zachodzą w nich procesy nieodwracalne. Procesy te zachodzą w stanie nierównowagi. Towarzyszą im transporty substancji,  energii,  ładunku elektrycznego, stanowiące podstawę procesów życiowych. W układach złożonych, a do takich należą organizmy żywe, procesy transportu są równie złożone. Przepływy substancji, energii, ładunku nie są procesami niezależnymi. Z przepływem substancji może być sprzężony zarówno transport energii, jak i transport ładunku elektrycz­nego. W ten sposób tworzą się nowe bodźce zmniejszające entropię; dzięki temu układ otwarty może uniknąć znalezienia się w stanie równowagi — ozna­czającym śmierć, a znaleźć się w stanie stacjonarnym — sprzyjającym życiu.

Gdy entropia układu się nie zmienia (S=const) to układ znajduje się w tzw. stanie stacjonarnym. Rośnie natomiast entropia otoczenia. Jeżeli otoczenie wliczymy do naszego układu otrzymamy układ izolowany, w którym zgodnie z II zasadą termodynamiki entropia się zwiększa. W tym znaczeniu można powiedzieć, że każdy proces nieodwracalny zwiększa entropię całej przyrody.

W stanie stacjonarnym fuakcje, termodynamiczne układu zachowują stałą wartość w czasie; nie zmienia się ani entropia, ani energia, ani entalpia swobodna. Funkcje te są stałe także w układzie izolowanym, w stanie równowagi. Jest jednak zasadnicza różnica między stanem stacjonarnym układu otwartego a stanem równowagi układu izolowanego. W stanie równowagi entropia przyjmuje wartość maksymalną (energia swobodna minimalną), a szybkości tworzenia się entropii jest zerem dSi/dt=0. W stanie stacjonarnymi w układzie zachodzą procesy tworzące entropię dSi/dt>0. W stanie stacjonarnym szybkość tworzenia się entropii jest stała i jak wykazał Prigogine – przyjmuje wartość najmniejszą.

2.Oddziaływania molekularne i ich rola w kształtowaniu struktur biologicznych: oddziaływania miedzycząsteczkowe, wiązania wodorowe, siły Van der Valsa, oddziaływania hydrofobowe jako efekt fizycznych właściwości wody; struktura błon biologicznych i ich właściwości, podstawowe składniki błon biologicznych,  fizyczne właściwości białek i lipidów- amfipatyczność lipidów, ciekłokrystaliczne właściwości układów lipidy- woda, oddziaływania stabilizujące drugo- i trzeciorzędową strukturę  białek, model Singcra i Nicolsona, właściwości błon biologicznych wynikające z właściwości fizycznych ich składników.

Siły van der Waalsa. W fazie skondensowanej materii – ciałach stałych i cieczach – siłom odkształcającym przeciwstawiają się siły międzycząsteczkowe. Składają się na nie siły przyciągania, jak i odpychania, działające między elementarni strukturalnymi.

Dwie cząsteczki, działając na siebie, są w stanie równowagi przy określonej odległości r0 między nimi, kiedy siły przyciągania i odpychania się równoważą. Przy zwiększaniu odległości (r > r0) przeważają siły przyciągania, przyj jej zmniejszaniu (r < r0) siły odpychania. Odchylenie cząsteczek od stanu równowagi wymaga wykonania pracy tak przy ich oddalaniu, jak i zbliżaniu. Kosztem tej pracy zwiększa się energia potencjalna wzajemnego oddziaływania. W stanie równowagi energia potencjalna oddziaływań międzycząsteczkowych jest więc w stanie minimum Emin. Ta energia Emin jest miarą energii wiązania Ew cząsteczek, wyraża pracę, jaką należałoby wykonać, żeby oddalić cząsteczki na odległość, przy której siły oddziaływania praktycz­nie przestają działać.

Siły międzycząsteczkowe noszą nazwę sił van der Waalsa, są one w zasadzie natury elektrycznej, chociaż w pewnych przypadkach są to oddziaływania o charakterze kwantowo – mechanicznym.

Wiązania wodorowe. Wodór związany kowalencyjnie z grupą atomów o cha­rakterze polarnym, elektroujemnym może niekiedy być pośrednikiem wiązań szczególnego rodzaju, zwanych wiązaniami wodorowymi. Przykładem mogą być wiązania występujące między cząsteczkami H2O. Elektrony wiążące wodorów częściej przebywają w pobliżu tlenu nadając mu charakter ujemny, wskutek czego H20 nabiera właściwości polarnych i staje się dipolem. Między tlenami i protonami sąsiednich cząsteczek wywiązują się oddziaływania zwane mostkami wodorowymi. Wiązania wodorowe prowadzą do two­rzenia się w wodzie większych lub mniejszych, zależnie od temperatury, asoctjatów, którym woda zawdzięcza swoje szczególne właściwości. Wiązania wodorowe tworzą między innymi także związki wodoru z azotem i fluorem.

Oddziaływania van der Wasala i hydrofobowe. Pomiędzy atomami lub grupami atomów, jeśli zbliżą się na odległość rzędu 0,1 nm, mogą powstać słabe siły przyciągania (niezależnie od rodzaju atomów) ze zmianą swobodnej energii rzędu kilku kJ·mol-1. Jest to niewiele więcej niż energia ruchów termicznych w temperaturze pokojowej – około 2 kJ·mol-1 – i oddziaływania te, same przez się, nie stabilizują w wyraźny sposób struktury makrocząsteczek. Jednakże w roztworach wodnych może tu dochodzić dodatkowy czynnik. Dokoła grup apolarnych znajdujących się w środowisku wodnym tworzy się warstwa cząsteczek wody o częściowo uporządkowanej strukturze. Uporządko­wanie to jest większe niż cząsteczek w pozostałej objętości wody, a więc entropia tej warstwy jest zmniejszona. Połączenie się dwóch lub większej liczby cząsteczek polarnych w większe skupisko sprawia, iż część wody spomiędzy tych reszt zostaje przemieszczona do obszaru wody o nieuporządkowanej strukturze. Procesowi towarzyszy wzrost entropii. Ponieważ zmiana entalpii swobodnej ΔG=ΔH–TΔS zależy zarówno od zmiany entalpii, jak i zmiany entropii, sumaryczny efekt zmniejszenia entalpii swobodnej makrocząsteczki, wywołany zmniejszeniem entalpii (wysycenie oddziaływań van der Waalsa) i wzrostem entropii, jest waż­nym czynnikiem stabilizującym wtórną strukturę makrocząsteczek znajdujących się w środowisku wodnym.

Podstawowym składnikiem błon komórkowych są lipidy. Typowa cecha układów lipid-woda – tworzenie dwumolekularnych warstw – jest podstawą organizacji błon biologicznych. Siły utrzymujące błonę i umożliwiające jej samoorganizację, to oddzia­ływania van der Waalsa i oddziaływania hydrofobowe pomiędzy apolarnymi resztami wewnątrz błony oraz oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy polarnymi grupami w zewnętrznych warstwach błony a dipolami wodnymi. Zwierzęce błony komórkowe zawierają znaczne ilości cholesterolu, który znaj­duje się w warstwie apolarnej. Drugim, istotnym składnikiem błon komórkowych są białka. Mogą one sta­nowić 40-50% suchej masy błony. Część z nich związana jest dość luźno z powierzchnią zewnętrzną, część zaś z powierzchnią wewnętrzną błony. Są to tzw. białka peryferyczne błony. Reszta, około 70%, stanowi grupę białek integralnych błony. Są one zakotwiczone w strukturze błony, niektóre zaś prze­nikają ją na wskroś.

Hydrofobowy i amfifilny charakter lipidów. Węglowodorowe łańcuch kwasów tłuszczowych nadają tłuszczom charakter hydrofobowy. Tłuszcze nie rozpuszczają się w wodzie, gdyż oddziaływania typu van der Waalsa pomiędzy kwasami tłuszczowymi są silniejsze od oddziaływań pomiędzy tłuszczem a polarnym rozpuszczalnikiem, jakim jest woda. Z drugiej znów strony polarne grupy tłuszczów złożonych (reszty fosforanowe, zjonizowane zasady azotowe) są grupami hydrofilnymi i ich kontakt z wodą jest energetycznie korzystny. Z tego powodu cząsteczki tłuszczów złożonych mają charakter amfifilny, dwoisty w stosunku do wody. Hydrofobowe części cząsteczek – kwasy tłuszczowe – unikają kontaktu z wodą, zaś polarne części cząsteczek kierują się ku środowisku wodnemu.

Spośród wszystkich substancji składników budulcowych komórki, tłuszcze są najlepszymi izolatorami elektrycznymi. Wynika to zarówno z charakteru samych cząsteczek, jak też i z faktu, że błony lipidowe i tkanka tłuszczowa odznaczają się bardzo małą zawartością wody i jonów. Stała dielektryczna tkanki tłuszczowej wynosi 5 – 6; dla porównania stała dielektryczna tkanki mięśniowej wynosi około 80 – 85, zaś skóry 40 – 50. Wytrzymałość dwucząsteczkowych błon lipidowych na przebicie jest rzędu 107V/m.

Ze względu na to, że reszty aminokwasowe w białkach mają różnorodne właściwości, w makrocząsteczkach tych mogą powstawać liczne i różnorodne oddziaływania wtórne, a zatem możliwości tworzenia różnych konformacji cząsteczek są duże. Często występującą, regularną strukturą wtórną jest α-heliks. Struktura ta stwarza możliwość utworzenia maksymalnej liczby wiązań wodorowych pomiędzy grupami ≥C=O  i  H–N<  łańcucha  peptydowego. Takie same możliwości stwarza też struktura warstwowa, tzw. β. Jest ona również często spotykana w cząsteczkach białek.

Oddziaływania apolarne (van der Waalsa – hydrofobowe) oraz tendencja do lokalizacji grup polarnych na powierzchni cząsteczki sprawiają, iż konformacja całej cząsteczki białkowej bywa zwykle bardzo złożona. Taka struktura białek wykazuje znaczny stopień sztywności; cząsteczki zachowują określony kształt, przynajmniej w tych obszarach, które warunkują aktywność biologiczną, np. centra aktywne enzymów lub centra wiążące prze­ciwciał. Zmiana konformacji w pewnym miejscu cząsteczki może przenieść się – poprzez łańcuch oddziaływań wtórnych – na inny, niekiedy odległy obszar makrocząsteczki.

3. Rola lipidów i białek w przenoszeniu informacji pomiędzy komórką i jej otoczeniem: transport przez błony - transport bierny i transport czynny (aktywny), zjawiska bioelektryczne w błonach - rola kanałów jonowych: potencjał spoczynkowy i potencjał czynnościowy.

Transport bierny. Transport biernym nazywamy przemieszczanie się substancji przez półprzepuszczalną błonę w kierunku wynikającym z gradientu stężenia tej substancji. Proces taki dąży do ustalenia stanu równowagi po obydwóch stronach błony. Błony komórkowe dzięki swej mozaikowej strukturze są częściowo przepuszczalne dla niektórych substancji. Przez kanały białkowe łatwo przenika woda. Szybkość przenikania większych cząsteczek, jeśli nie niosą one ładunków elektrycznych, jest na ogół proporcjonalna do ich rozpuszczalności w lipidach. Duże cząsteczki związków o charakterze polarnym (choć nie nała­dowane elektrycznie), jak sacharoza, słabo przenikają przez błony. Większe cząsteczki obdarzone ładunkiem elektrycznym przenikają przez błony w normal­nych warunkach w nieznacznym stopniu.

Zasadniczą rolę w przemieszczaniu substancji przez błony komórkowe odgrywają: transport ułatwiony na nośnikach oraz transport aktywny.

Transport na nośnikach ma charakter transportu biernego, gdyż przebiega w kierunku odpowiadającym gradientom stężeń substancji, wykazuje jednak znacznie większą specyficzność i uzależniony jest od rodzaju lub stanu funkcjonalnego błony.

Liczne substancje polarne, w tym również jony nieorganiczne, mogą znacznie łatwiej przenikać przez błony po utworzeniu kompleksów ze związkami o większym powinowactwie do apolarnej fazy lipidowej. Dla jonów sodowych i potasowych takimi nośnikami mogą być cząsteczki pewnych cyklicznych peptydów. Dla wielu związków będących substancjami odżywczymi komórek (m. in. cukrów i aminokwasów) nośnikami są, specyficzne dla danej substancji, białka strukturalne błon, zwane permeazami. Brak określonej permeazy w błonie (wynikły np. wskutek mutacji) uniemożliwia wykorzystanie odpowiedniej substancji przez komórkę mimo jej obecności w środowisku nawet w znacznym stężeniu. Również wydalanie metabolitów na zewnątrz błony komórkowej jest w wielu przypadkach ułatwiane przez odpowiednie nośniki białkowe w błonie.

Transport aktywny. Jak wspomniano, istotną cechą większości błon żywych komórek jest prowadzenie aktywnego transportu substancji. Pod tym poję­ciem rozumiemy transport, najczęściej wbrew gradientowi stężenia, dla podtrzymania którego niezbędny jest nakład energii. Energia ta jest dostarczana przez egzoergiczną reakcję chemiczną sprzężoną w sensie termodynamicznym z transportem. Z reguły reakcją egzoergiczną jest hydroliza ATP do ADP i fosforanu. Układ prowadzący w ten sposób aktywny transport jonów nazywamy pompą jonową.

Nakład energii na transport substancji zależy od stosunku jej stężeń po obydwóch stronach błony. Stosunek ten, może osiągać znaczne wartości. Tak np. transport jonów H+ przez komórki nabłonkowe ściany żołądka człowieka prowadzi do powstania stosunku stężeń 107:1. Stężenie jonów H+ w soku żołądkowym jest około l mol/1, zaś we wnętrzu komórek około 10-7 mol/1. Niektóre substancje mogą być wychwytywane i gromadzone w komórce nawet przy bardzo małych ich stężeniach w środowisku zewnętrznym.

Gdy w wyniku transportu aktywnego zostaje przeniesiony jon, wówczas nakład energii potrzebny dla przebiegu tego procesu jest większy niż w przypadku transportu cząsteczki nienaładowanej. Transport jonu odbywa się bowiem zarówno wbrew gradientowi stężenia, jak i wbrew gradientowi potencjału elektrycznego. Obydwa tworzą tzw. gradient elektrochemiczny.

Znaczna część zapotrzebowania energetycznego komórki zużywana jest na prowadzenie aktywnego transportu.

Szczegółowy mechanizm molekularny transportu aktywnego nie jest jeszcze całkowicie poznany. Z reguły reakcją dostarczającą energii dla tego procesu jest hydroliza ATP do ADP i fosforanu. Przypuszcza się, że białko lub kompleks białek wiąże transportowaną substancję po jednej stronie błony, przemieszcza ją poprzez błonę i oddysocjowuje po przeciwnej stronie. W tym samym czasie układ ten przeprowadza rozkład ATP podlegając przejściowo fosforylacji. Na tej zasadzie działają m. in. pompy jonowe.

Potencjał elektryczny wnętrza komórki jest różny od potencjału jej środowiska zewnętrznego. Można to wykazać doświadczalnie za pomocą mikroelektrod, z których jedną wkłuwa się do wnętrza komórki, a drugą umieszcza na jej powierzchni. Mikroelektrodę stanowi rurka szklana, której wyciągnięty koniec ma przekrój mniejszy od l µm. Elektroda jest wypełniona roztworem chlorku potasowego, w którym znajduje się drut srebrny pokryty chlorkiem srebra (elektroda odwracalna). Różnica potencjałów zmierzona woltomierzem o bardzo dużym oporze wewnętrznym wynosi około 50÷100 mV, w zależności od rodzaju komórki. Wnętrze komórki ma potencjał ujemny względem powierzchni zewnętrznej.

Kanały jonowe są zbudowane z podjednostek białkowych, będących strukturalnymi białkami błony. Wykazują one wybiórczość w stosunku do jonów. Istnieją kanały przepuszczające główne jony sodowe, inny ich rodzaj przepuszcza głównie jony potasowe; są także kanały wybiórczo przepuszczalne dla innych jonów, np. wapniowych (ten rodzaj kanałów występuje w obszarze synaps). W komórkach nerwowych otwarcie kanałów dla odpowiednich jonów (aktywacja kanałów) może zachodzić w wyniku zmian potencjału elektrycznego komórki albo zadziałania specyficznych aktywatorów chemicznych, tzw. neuroprzekaźników lub przekaźników chemicznych. Pierwszy typ kanałów „sterowanych elektrycznie” występuje głównie w obszarze aksonu.

Stwierdzono doświadczalnie, że w białkach tworzących kanały jonowe nas­tępują przemieszczenia ładunków elektrycznych w wyniku obniżenia różnicy potencjałów komórkowych.

Różne czasy reagowania kanałów sodowych i potasowych na bodziec elektry­czny (kanały potasowe reagują wolniej) powodują wzrost, a następnie spadek potencjału czynnościowego, wywołując powstanie iglicy potencjału. Ponieważ zmniejszenie różnicy potencjałów wpływa na kanały zlokalizowane w sąsiednich odcinkach aksonu, opisane zjawisko rozprzestrzenia się dalej, dając efekt przemieszczania iglicy potencjału.

Kanały drugiego rodzaju nie ulegają aktywacji pod wpływem zmian poten­cjałów elektrycznych, natomiast aktywują się na skutek przyłączenia do two­rzących je białek cząsteczek przekaźników chemicznych. Typowymi przekaźnikami są np. acetylocholina i noradrenalina. Kanały tego typu występują głównie w obszarach kontaktujących się z synapsami.

4.Przenoszenie informacji w układzie nerwowym - mechanizm propagacji potencjałów czynnościowych w Saksonie

Depolaryzacja błony komórkowej nerwowej w jakimś miejscu przy nie zmienionym potencjale sąsiednich odcinków błony wywołuje przepływ prądu skiero­wany tak, aby wyrównać różnicę potencjałów. Powoduje to obniżenie potencjału sąsiedniego obszaru błony i wyzwala jej dalszą, samorzutną depolaryzację. W ten sposób wzdłuż włókna przemieszcza się fala zmian potencjału.

W przypadku nerwu pokrytego osłonką mielinową, która jest dobrym izo­latorem elektrycznym, tego rodzaju prądy mogą płynąć tylko od jednego węzła Ranviera do drugiego. W ten sposób pobudzenie rozchodzi się w nerwie skokowo — od węzła do węzła—co znacznie zwiększa szybkość jego przemieszczania się. Dochodząc do zakończenia włókna nerwowego fala depolaryzacji powo­duje aktywację synaps. Polega ona na otwarciu, pod wpływem zmiany potencjału kanałów przepuszczalnych dla jonów wapniowych. Jony te, znajdujące się w większym stężeniu na zewnątrz komórki dzięki działaniu pompy jonowej wnikają do kolbki synaptycznej i powodują przemieszczenie pęcherzyków synaptycznych wypełnionych neuroprzekaźnikiem do błony kolbki (na temat mechanizmów ruchu wewnątrzkomórkowego). Tam, zlewając się z błoną, pę­cherzyki wydzielają neuroprzekaźnik, który aktywuje kanały następnej komórki nerwowej. Zależnie od rodzaju przekaźnika (mediatora) zawartego w danej synapsie oraz rodzaju kanałów w błonie następnej komórki, przekazany impuls może być albo aktywujący (zmniejszający potencjał komórki następnej) albo hamują­cy (podwyższający potencjał następnej komórki). Cząsteczki przekaźnika, po wydaleniu z kolbki synaptycznej i ewentualnym zadziałaniu na receptory błony, ulegają w krótkim czasie rozkładowi przez odpowiednie enzymy (np. acetylocholinoesterazę). Aktywacja lub hamowanie, przekazane tym sposobem, mają więc charakter impulsowy.

...