Acasă » clasa a 5-a » Asemănări și diferențe între membranele artificiale și cele naturale. Membrană artificială: Un pas către viață. Literatură de bază și suplimentară

Asemănări și diferențe între membranele artificiale și cele naturale. Membrană artificială: Un pas către viață. Literatură de bază și suplimentară

Un aparat cu două zone de lucru, în care se mențin presiuni și compoziții diferite ale amestecului care se separă.

Membranele pot fi realizate sub formă de foi plate, tuburi, capilare și fibre goale. Membranele sunt aranjate în sisteme de membrane. Cele mai comune membrane artificiale sunt membranele electrolitice polimerice. În anumite condiţii, membranele ceramice pot fi utilizate în mod avantajos.

Unele membrane funcționează într-o gamă largă de operații membranare, cum ar fi microfiltrarea, ultrafiltrarea, osmoza inversă, pervaporarea, separarea gazelor, dializa sau cromatografia. Metoda de aplicare depinde de tipul de funcționalitate inclusă în membrană, care se poate baza pe izolație dimensională, afinitate chimică sau electrostatică.

Utilizare

Membranele sunt cel mai frecvent utilizate pentru purificarea apei, îndepărtarea microorganismelor din produsele lactate, desalinizarea apei, deshidratarea gazelor naturale, hemodializă sau ca componente ale celulei de combustie.

Vezi si

Scrieți o recenzie despre articolul „Membrană artificială”

Literatură

Yu. I. Dytnersky, V. P. Brykov, G. G. Kagramanov. Separarea gazelor pe membrană. - M.: Chimie, 1991.

Extras caracterizator Membrană artificială

Așa că, plimbându-mă complet liber prin casa Sfântului Papă, mi-am zguduit creierii, fără a-mi imagina ce însemna această „pauză” inexplicabilă și lungă. Știam sigur că Caraffa era foarte des în camerele lui. Ceea ce însemna un singur lucru: nu plecase încă în călătorii lungi. Dar dintr-un motiv oarecare tot nu m-a deranjat, de parcă ar fi uitat sincer că sunt în captivitatea lui și că sunt încă în viață...
În timpul „plimbărilor” mele am întâlnit mulți vizitatori diferiți, minunați, care au venit să-l viziteze pe Sfântul Papă. Aceștia erau cardinali și niște persoane foarte înalte necunoscute pentru mine (pe care le-am judecat după hainele lor și cât de mândru și independent se comportau cu ceilalți). Dar după ce au părăsit încăperile Papei, toți acești oameni nu au mai părut la fel de încrezători și independenți ca înainte de a vizita recepția... La urma urmei, pentru Caraffa, așa cum am spus deja, nu a contat cine stătea în față. dintre el a fost, singura importantă pentru Papă a fost VOIA SA. Și nimic altceva nu conta. Prin urmare, am văzut de multe ori vizitatori foarte „potiți”, care încercau să părăsească încăperile papale „muscătoare” cât mai repede posibil...
Într-una dintre aceleași zile „sumbre”, absolut identice, m-am hotărât brusc să fac ceva care mă bântuia de multă vreme - să vizitez în sfârșit pivnița papală de rău augur... Știam că asta era probabil „plin de consecințe, ” dar anticiparea pericolului era de o sută de ori mai rea decât pericolul în sine.
Si am decis...
Coborând treptele înguste de piatră și deschizând ușa grea, trist de familiară, m-am trezit într-un coridor lung și umed, care mirosea a mucegai și a moarte... Nu era iluminat, dar deplasarea mai departe nu era mare lucru, pentru că întotdeauna avea un bun simț al direcției În întuneric. Multe uși mici, foarte grele, alternau cu tristețe una după alta, complet pierdute în adâncul coridorului posomorât... Mi-am amintit de acești pereți cenușii, mi-am amintit de groaza și durerea care mă însoțeau de fiecare dată când trebuia să mă întorc de acolo... Dar mi-am ordonat să fiu puternic și să nu mă gândesc la trecut. Ea mi-a spus să plec.

Membrană artificială reprezintă de obicei o partiție rigidă, permeabilă selectiv, care împarte aparatul de transfer de masă în două zone de lucru, în care se mențin presiuni și compoziții diferite ale amestecului care se separă. Membranele sintetice au fost folosite cu succes atât în procesele industriale de putere mică, cât și de mare putere încă de la mijlocul secolului XX. În prezent, membranele sintetice sunt destul de diverse în proprietăți. Sunt fabricate din materiale organice, atât polimerice, cât și lichide, și anorganice. Membranele sintetice utilizate în procesele de separare au diferite geometrii și configurații specifice fluxului. Membranele pot fi realizate sub formă de foi plate, țevi, capilare și fibre goale. Membranele sunt aranjate în sisteme de membrane.

Cele mai comune membrane artificiale sunt membrane polimerice. Ele sunt împărțite după compoziția chimică a suprafeței, structură, morfologie și metoda de fabricație. Proprietățile chimice și fizice ale membranelor sintetice și ale substanțelor separate, precum și forța inițială, sunt determinate de caracteristicile individuale ale procesului de separare a membranei. Cele mai frecvent utilizate forțe de inițiere în procesele industriale cu membrane sunt presiunea și diferența de concentrație. Procesele membranare corespunzătoare se numesc filtrare. În anumite condiții, acestea pot fi utilizate în principal membrane ceramice.

Unele membrane funcționează într-o gamă largă de operații cu membrane, cum ar fi microfiltrare, ultrafiltrare, osmoza inversa, pervaporarea, separare gaz, dializă sau cromatografia. Metoda de aplicare depinde de tipul de funcționalitate inclusă în membrană, care se poate baza pe izolație dimensională, afinitate chimică sau electrostatică.

Ele sunt, de asemenea, clasificate în funcție de forma și modul de aplicare. Cele mai importante procese membranare includ purificarea apei, osmoza inversă, deshidratarea gazelor naturale, îndepărtarea particulelor prin microfiltrare și ultrafiltrare, îndepărtarea bacteriilor din produsele lactate, dializă, hemodializă sau ca componente ale celulei de combustie.

Membrană parțial permeabilă-- o membrană artificială concepută pentru a separa un amestec de lichide sau gaze în componentele sale constitutive. Denumită și membrană permeabilă selectiv, membrană semipermeabilă sau membrană permeabilă diferențial. Permite trecerea prin difuzie a anumitor molecule sau ioni. Viteza de trecere depinde de presiunea, concentrația și temperatura moleculei sau substanțelor dizolvate pe ambele părți, precum și de permeabilitatea membranei pentru fiecare soluție.

Microfiltrare-- procesul de separare a amestecurilor lichide sau gazoase din particulele în suspensie cu un diametru de 100-0,1 microni și mai mult. Filtrarea se realizează pe material cu granulație fină, nisip, cuarț etc., pentru filtrarea grosieră a particulelor mari. Procesul se desfășoară într-un mod de blocare cu regenerare printr-un flux invers de lichid/gaz.

Osmoza inversa- trecerea prin membrană a apei sau a altor solvenți de la o soluție mai concentrată la una mai puțin concentrată ca urmare a expunerii la o presiune care depășește diferența de presiuni osmotice a ambelor soluții. Osmoza inversă a fost utilizată într-o varietate de tehnologii de purificare a apei, inclusiv desalinizarea și purificarea apei potabile în diverse scopuri, încă de la începutul anilor 1970.

Pervaporarea- o tehnologie de separare a amestecurilor predominant lichide de diferite substanțe în care un flux de lichid care conține două sau mai multe componente miscibile este pus în contact cu o parte a unei membrane polimerice neporoase sau a unei membrane anorganice poroase din punct de vedere molecular (cum ar fi o membrană cu zeolit) , în timp ce cealaltă parte este vid sau purjare cu gaz. Componentele fluxului de lichid sunt absorbite în/pe membrană, pătrund prin membrană și se evaporă în faza de vapori (de unde cuvântul „pervaporă”). Vaporii rezultați, numiți „permeat”, se condensează. Datorită diferitelor tipuri de amestecuri de alimentare care au afinități diferite pentru membrană și rate diferite de difuzie prin membrană, chiar și o componentă găsită într-o concentrație scăzută a mediului de alimentare poate fi îmbogățită într-un grad ridicat în permeat. Astfel, compoziția substanței dizolvate poate fi foarte diferită de cea găsită în forma de vapori formată după ce s-a dezvoltat echilibrul lichid-vapor liber. Coeficienții de îmbogățire și gradul de penetrare a concentrației amestecului de alimentare variază de la câteva la câteva mii, în funcție de compoziție, membrană și condițiile de proces.

Pervaporarea are un consum specific de energie relativ scăzut în comparație cu tehnologiile cu membrane care utilizează membrane poroase.

Separarea are loc la nivel molecular, ceea ce crește selectivitatea.

Dializă- eliberarea soluțiilor coloidale și a soluțiilor de substanțe cu greutate moleculară mare din compuși cu greutate moleculară mică dizolvați în ele cu ajutorul unei membrane semipermeabile. În timpul dializei, moleculele unei substanțe dizolvate cu greutate moleculară mică trec prin membrană, iar particulele coloidale care nu pot dializa (trece prin membrană) rămân în spatele acesteia. Cel mai simplu dializator este o pungă din colodion (material semi-permeabil) care conține lichidul dializat. Punga este scufundată într-un solvent (de exemplu, apă). Treptat, concentrațiile de dializat în fluidul dializat și în solvent devin egale. Prin schimbarea solventului, puteți obține o purificare aproape completă de impuritățile nedorite. Rata de dializă este de obicei extrem de scăzută (săptămâni). Ele accelerează procesul de dializă prin creșterea suprafeței membranei și a temperaturii, schimbând continuu solventul. Procesul de dializă se bazează pe procesele de osmoză și difuzie, ceea ce explică modul în care poate fi accelerat.

· Dializa este utilizată pentru purificarea soluțiilor coloidale din impuritățile electroliților și neelectroliților cu greutate moleculară mică. Dializa este utilizată în industrie pentru purificarea diferitelor substanțe, de exemplu, în producția de fibre artificiale și în fabricarea substanțelor medicinale.

· Materialul care trece prin membrană se numește dializat.

Hemodializa(din hemo... și greacă dializă - descompunere, separare) - o metodă de purificare a sângelui extrarenal în insuficiența renală acută și cronică. În timpul hemodializei, produsele metabolice toxice sunt îndepărtate din organism și tulburările echilibrului hidric și electrolitic sunt normalizate. Hemodializa se efectuează prin transfuzie de sânge schimb (sângerare masivă simultană cu transfuzie din aceeași cantitate de sânge donator), spălarea peritoneului cu soluție salină (dializă peritoneală), spălarea mucoasei intestinale cu soluții moderat hipertonice (dializă intestinală). Cea mai eficientă metodă de hemodializă este utilizarea unui dispozitiv de rinichi artificial.

Cromatografia(din limba greacă chsyumb - culoare) - o metodă de separare și analiză a amestecurilor de substanțe, precum și studierea proprietăților fizice și chimice ale substanțelor. Pe baza distribuției substanțelor între două faze - staționar și mobil ( eluent). Numele metodei este asociat cu primele experimente în cromatografie, în timpul cărora dezvoltatorul metodei, Mikhail Tsvet, a separat pigmenții de plante viu colorați.

Membranele lichide aparțin clasei de membrane sintetice realizate din materiale elastice. Unele tipuri de membrane lichide sunt utilizate în industrie: membrane de emulsie, membrane de reținere, săruri topite, membrane holofibre. Membranele lichide au fost studiate pe larg, dar au aplicații industriale limitate.

Membranele polimerice conduc pe piața separării industriale deoarece sunt destul de competitive din punct de vedere al parametrilor operaționali și economici. Mulți polimeri sunt disponibili ca materiale, dar alegerea unui polimer pentru un anumit scop este adesea dificilă. Polimerul trebuie să aibă caracteristicile adecvate pentru sarcina prevăzută. Polimerul trebuie să aibă adesea rezistență ridicată la moleculele separate (în special în aplicații biotehnologice) și să satisfacă condiții stricte de purificare. Trebuie să fie compatibil cu procesul de fabricare a membranei.

Polimerul trebuie să fie adecvat pentru dezvoltarea membranei pe baza unor parametri precum stabilitatea și interacțiunea legăturilor polimerice, omogenitatea spațială, polaritatea legăturilor polimerice și grupa sa funcțională. Polimerii pot fi amorfe și semicristaline ca structură (au, de asemenea, diferite puncte de topire), care influențează parametrii de aplicare a membranei. De asemenea, sunt importante disponibilitatea și costul adecvat pentru a forma un criteriu pentru costul scăzut al procesului cu membrană. Mulți polimeri membranari sunt dopați, modificați sau adăugați ca impuritate pentru a le îmbunătăți proprietățile. Cele mai frecvente materiale utilizate în sinteza membranelor sunt acetat de celuloză, nitrați și esteri (CA, CN și CE), polisulfonă (PS), poliester sulfonă (PES), poliacrilonitril (PAN), poliamidă, poliimidă, polietilenă și polipropilenă (PE și PP). ), politetrafluoretilenă (PTFE), edenoclorură de polivinil (PVDF), clorură de polivinil (PVC)

Polietilenă (PE) politetrafluoretilenă (PTFE) polipropilenă (PP)

Ele asigură integritatea celulei, fac posibilă crearea condițiilor în ea pentru ca toate reacțiile biochimice să aibă loc și reglează schimbul de substanțe și energie cu mediul. Într-un cuvânt, aceasta este literalmente granița dintre viață și tot ceea ce o înconjoară.

Membrana tuturor celulelor este un strat dublu de fosfolipide - molecule cu un „cap” hidrofil și mai multe „cozi” hidrofobe. Într-un mediu acvatic, ei tind să se poziționeze cu „cozile” în interior, aliniându-se în rânduri egale: membrana se autoasambla. Desigur, în realitate imaginea este mult mai complexă, membrana conține și multe componente proteice, glicolipide cu „cozi” suplimentare de polizaharide, molecule de colesterol care îi reglează vâscozitatea etc. bază.

Acest element de bază a fost recreat de cercetătorii din grupul profesorului Neal Devaraj din California, folosind metode pur chimice. Scopul final al tuturor acestor experimente este crearea unei vieți complet artificiale, obținută fără nicio participare a altor organisme vii, cu excepția experimentatorilor înșiși. Până acum, toate organismele sintetice, a căror creație oamenii de știință au raportat-o în mod repetat, sunt, de fapt, doar genomi sintetici introduși în celulele bacteriene „eviscerate” și pregătite anterior. Este încă doar un vis să obții un organism viu artificial de la zero.

Profesorul Devaraj explică: „Se presupune că ceva similar s-a întâmplat deja la un moment dat în trecut. Altfel, viața nu ar fi putut apărea deloc.” „Încă nu înțelegem pe deplin cum a avut loc această etapă fundamentală, în care materia neînsuflețită s-a transformat în materie vie”, adaugă omul de știință. „În cele din urmă, experimente ca acestea ar trebui să ne spună multe despre principiile chimice și biologice de bază care stau la baza vieții.”

După cum sa menționat deja, datorită naturii duble hidrofil-hidrofobe, fosfolipidele care alcătuiesc membranele celulare se autoasambla în apă. „Cozile” de lipide hidrofobe se ascund de mediul apos polar, în timp ce „capetele” de fosfat hidrofil, dimpotrivă, sunt scufundate în el. Astfel, conduse doar de interacțiuni hidrofil-hidrofobe, moleculele se aliniază într-un strat dublu de membrană și creează o barieră care separă celula de lumea exterioară.

În celulele organismelor moderne, producția de fosfolipide este asigurată de proteine speciale integrate în membranele celulare. Cu toate acestea, acest lucru este posibil numai în prezența unei membrane și modul în care au fost sintetizate lipidele primelor celule vii, fără participarea enzimelor proteice, poate fi încă doar ghicit. O posibilă versiune a unei astfel de reacții a fost propusă de Devaraj și colegii săi.

„Această reacție este pur artificială; nu are niciun analog cunoscut în natura vie. Acesta este modul în care puteți obține o membrană celulară de la zero”, comentează Devaraj. „În sistemul nostru, acest lucru se întâmplă cu participarea unui catalizator simplu, un ion metalic.”

Într-un mediu apos, componentele inițiale ale reacției formează o emulsie stabilă din multe picături insolubile. Adăugarea de ioni de cupru în mediu duce la distrugerea acestora și la posibilitatea ca reactivii să interacționeze între ei. Potrivit autorilor, după 24 de ore de astfel de incubație, toate picăturile se dispersează și apar membrane cu două straturi. Primul pas către o viață împlinită.

Membrane lipidice artificiale, având o structură cu două straturi, s-a dovedit a fi similar în multe privințe cu membranele biologice. Membranele artificiale sunt produse prin contact amestecuri de fosfolipide și lipide neutre, dizolvată în solvenți organici, cu apă. Membrane lipidice bimoleculare (BLM), numite și bistrat sau negru membranele lipidice sunt utilizate pe scară largă model experimental, ceea ce face posibilă reproducerea multor proprietăți și caracteristici ale membranelor biologice în condiții artificiale. Ca și membranele biologice, acestea sunt sisteme închise, ceea ce le face potrivite pentru studiul transportului pasiv al ionilor și al moleculelor mici prin stratul dublu lipidic.

Lipozomi- vezicule sferice având unul sau mai multe straturi lipidice. Format în amestecuri de fosfolipide cu apa. Lipozomii conțin apă sau o soluție în care a fost efectuat un tratament cu ultrasunete. Spre deosebire de BLM, lipozomii sunt destul de stabile și nu conțin solvenți organici. Compoziția lipidelor din lipozomi poate fi variată în mod arbitrar și astfel poate modifica în mod specific proprietățile membranei. Datorită posibilității de reconstrucție a unei membrane din componentele sale principale, este posibilă modelarea funcțiilor de transport enzimatic și receptor ale membranelor celulare. Antigenele pot fi introduse în lipozomi, precum și anticorpii pot fi atașați covalent și utilizați în cercetare imunologică. Ele reprezintă un model convenabil pentru studierea acțiunii multor medicamente, vitamine, hormoni, antibiotice etc.

În prezent, metodele de încorporare a proteinelor membranare active funcțional în lipozomi sunt bine dezvoltate. Astfel de structuri proteico-lipidice artificiale sunt de obicei numite proteolipozomi.

Eficiența încorporării majorității componentelor proteice în sistemele artificiale de membrană depinde foarte mult de compoziția lipidică a membranelor, pH, compoziția sării, temperatură etc. Sistemul proteolipozom - film de colodion, dezvoltat inițial pentru a studia bacteriorhodopsin, a fost apoi folosit pentru a studia o serie de alte convertoare de energie membranară.

Există două tipuri principale de membrane artificiale:

apartament clasic,
membrane sferice de diferite dimensiuni.

Pentru obtinerea de membrane artificiale utilizare:

diverse fosfatide,
gliceride neutre,
amestecuri de lipide de origine biologică, adăugând colesterol, α-tocoferol și alți aditivi minori.

Valoarea potențială a membranelor artificiale pentru cercetare depinde de posibilitatea încorporării în ele a proteinelor naturale, în special a celor cu proprietăți de transport. Lipozomii formați din proteine și lipide au început să fie produși în anii 60. Termenul de proteolipozomi a fost introdus de V. P. Skulachev. În prezent, au fost dezvoltate o serie de metode pentru prepararea diferitelor tipuri de lipozomi și proteolipozomi, precum și standardizarea lor în dimensiune, structură, omogenitate, stabilitate și alte caracteristici. Lipozomii sunt utilizați pentru a furniza compuși medicinali și chimici în celule, pentru a stabiliza enzimele în enzimologia ingineriei și pentru a introduce molecule sondă în membranele celulare care le modifică și modelează suprafața. De mare interes pentru inginerie genetică și medicină sunt studiile privind introducerea acizilor nucleici și a virusurilor în celule folosind lipozomi.

CU apă sunt asociate multe proprietăți structurale și funcționale ale membranelor, precum și procesele de stabilizare și formare a membranelor. Apa face parte din membrane și este împărțită în:

gratuit,
legate de,
capturat.

Apă legată și liberă diferă prin mobilitatea moleculelor de apă și capacitatea de dizolvare. Are cea mai scăzută mobilitate și capacitate de dizolvare apa legata intern. Este prezent în zona lipidică a membranelor sub formă de molecule individuale. Partea principală a apei legate este apa cochilii de hidratare. Această apă înconjoară grupele polare de proteine și lipide, are o mobilitate minimă și practic nu are proprietăți de solvent. Apa liberă în pori și canale. Ionii liberi se pot deplasa de-a lungul ei. Este un solvent bun, mobil și are toate proprietățile apei lichide.

Apă prinsă Are mișcare izotopică caracteristică apei lichide și este un bun solvent. Apare în zona centrală a membranelor, între straturile sale lipidice, dar această apă este împărțită spațial atât cu lichid extracelular cât şi cu citoplasmă. Ea nu are posibilitatea de a face schimb liber cu ei.

Acasă > Program

Membrane artificiale. Monostrat la interfață. Membrane lipidice bistrat. Lipozomi și proteolipozomi. Mecanisme de interacțiune a lipozomilor cu biomembranele. Proprietățile membranelor artificiale, asemănările și diferențele lor față de membranele naturale, utilizare practică în biologie și medicină.

Biofizica proceselor de transport de substanțe prin biomembrane

Problema permeabilității substanțelor prin biomembrane. Metode de studiere a permeabilității. Tipuri de transport al substanțelor printr-o biomembrană. Transport pasiv (difuzie). Forța motrice a difuziei. Ecuația de difuzie a lui Fick. Dependența permeabilității membranei de solubilitatea în apă și lipide. Acvaporine. Permeabilitatea membranelor la apă și molecule neutre. Permeabilitatea membranei la ioni. Factori care influențează viteza de transport pasiv al ionilor. Potențial electrochimic. Mecanisme de trecere a ionilor prin membrană. Transport de ioni în canale. Înțelegerea modernă a structurii și funcționării canalelor. Selectivitatea canalului. Transportul ionic indus, modelarea acestuia pe lipozomi și membrane lipidice cu două straturi plate. Ionofori: purtători mobili și substanțe care formează canale. Difuziunea facilitată, principalele sale proprietăți și diferențele față de difuzia simplă. Translocarea radicalilor ca tip de transport de substanțe, mecanismele și rolul său în livrarea de zaharuri, aminoacizi și alți metaboliți în celulă. Transportul activ al moleculelor și ionilor, diferența sa față de difuzia facilitată. Proprietățile și funcțiile transportului activ. Termodinamica transportului activ al moleculelor și ionilor. Mecanisme de transport activ. Transport electrogen și neutru. Transport activ primar și secundar. Transportul ATPazelor, caracteristicile lor scurte și clasificarea. Structura și mecanismul de acțiune al pompei Na-K. Transport activ de Ca 2+ și protoni. Modele de canale pasive și active care funcționează în paralel. Mecanisme speciale de transport al substanțelor prin biomembrană (endo- și exocitoză, transfer ADN etc.).

Fenomene bioelectrice.

O scurtă istorie a descoperirii și studiului fenomenelor bioelectrice. Clasificarea biopotenţialelor. Caracteristicile biopotențialelor ionice și ale electrozilor. Potențialul de odihnă, originea lui. Potenţial de acţiune. Înțelegerea modernă a generării impulsurilor nervoase. Modelul Hodgkin-Huxley. Măsurarea potențialului de acțiune într-un nerv. Distribuția asimetrică a ionilor pe ambele părți ale membranei ca bază pentru apariția biopotențialelor. Factorii care determină mărimea potențialului membranei. Echilibru Donnan. Transportul ionilor în membranele excitabile. Propagarea unui impuls nervos de-a lungul fibrelor nervoase mielinice și nemielinice. Alimentarea cu energie pentru procesele de propagare a excitației. Natura vectorială a transmisiei semnalelor electrice, mecanismul acesteia. Importanța înregistrării biopotențialelor pentru biologie și medicină. Fenomene electrocinetice. Formarea unui dublu strat electric. Factori care determină mărimea potențialului electrocinetic. Aplicarea microelectroforezei pentru evaluarea potențialului electric al membranelor celulare în condiții normale și patologice. Exemple de alte fenomene electrocinetice.

Mecanismele moleculare ale proceselor de cuplare a energiei.

Caracteristici generale ale conversiei energiei în biomembrane. Complexe de conjugare, localizarea lor în membrana mitocondrială și fotosintetică a cloroplastelor. Structura și condițiile de funcționare ale diferitelor lanțuri de transport de electroni (ETC) în biomembrane. Potențialul redox al purtătorilor de electroni, măsurarea acestuia (ecuația Nernst). Caracteristicile și semnificația biologică a transportului de electroni. Asemănări și diferențe între CPE în mitocondrii și cloroplaste. Etapele exergonice și endergonice ale fosforilării oxidative, eficiența acestui proces. Teorii care explică mecanismul fosforilării membranei. Prevederi de bază ale teoriei lui P. Mitchell. Potențialul electrochimic al ionilor de hidrogen. Compoziția protonului ATPazei. Mecanismul de cuplare energetică (formarea și hidroliza ATP). Consecințele teoriei chemiosmotice. Alți transportatori de ioni acționează ca convertoare de energie moleculară care generează ATP. Diagrama generalizată a transformării energiei într-o celulă.

Biofizica sistemelor contractile.

Caracteristicile generale ale proceselor mecanochimice. Principalele tipuri de sisteme contractile și mobile. Caracteristicile biofizice ale proteinelor contractile musculare și non-musculare (actina, miozina, tropomiozina, tubulina, flagelina etc.). Proprietățile de bază ale mușchiului striat ca convertor de energie mecanochimică; structura sarcomerului, modificările sale în timpul contracției. Mecanismul molecular al contracției musculare, reglarea acestuia. Alimentare cu energie pentru contractia musculara; semnificația experimentelor lui V. Engelhardt și M. Lyubimova. Teorii care explică mecanismul de contracție. Principalele caracteristici structurale ale sistemelor contractile non-musculare, mecanismul molecular al mobilității lor.

Biofizica proceselor fotobiologice

Caracteristicile generale și clasificarea proceselor fotobiologice și etapele acestora. Aplicabilitatea legilor fizicii și fotochimiei la procesele fotobiologice. Absorbția luminii de către biomolecule. Legea Lambert-Beer. Mecanismul de absorbție a luminii. Regularitățile tranziției fotoelectronului la un nivel excitat. Spectrele de absorbție ale biomoleculelor. Proprietățile optice ale proteinelor și acizilor nucleici: absorbția luminii, activitatea optică, dispersia prin rotație optică, dicroismul circular, natura efectelor hipocromice și hipercromice. Căi de dezactivare a moleculelor excitate de lumină. Luminescența, tipurile sale și principalele caracteristici fizice: spectre de emisie, randament cuantic, durata strălucirii. Bioluminiscența și strălucirea ultra-slabă a obiectelor (biochimiluminiscență). Migrația energiei în biosisteme, mecanismele acesteia: rezonanță inductivă, exciton, rezonanță de schimb, semiconductor. Tipuri de reacții fotochimice; reacții cuantice una și două. Spectrele de acţiune ale proceselor fotobiologice. Biofizica fotosintezei. Sensul fizic al fotosintezei. Conversia energiei în procesele primare de fotosinteză. Transportul electronilor și fotofosforilarea. Termodinamica fotosintezei, randamentul cuantic și consumul cuantic, eficiența conversiei energiei luminoase în energie chimică. Fotosinteza bacteriodopsinei: sens fizic și biologic, succesiunea transformărilor energetice, mecanism molecular. Procese fotodistructive. Reacții fotochimice sub acțiunea radiațiilor ultraviolete asupra acizilor nucleici. Mecanismele moleculare ale acțiunii radiațiilor ultraviolete asupra proteinelor și lipidelor. Semnificația biologică a fotodeteriorării moleculelor. Fotosensibilizare și fotoprotecție; reparație luminoasă și întunecată. Caracteristicile fizice de bază și efectele biologice ale radiației laser. Rolul reacțiilor cu două cuantice. Metode de cercetare cu laser.

Reglarea proceselor biologice.

Concepte de bază ale teoriei informației. Relația dintre entropie și informație în sistemele biologice. Cantitatea de informații biologice, valoarea acesteia. Aplicarea teoriei informației la bioprocese: codul genetic, caracteristicile informaționale ale structurii proteinelor etc. Conceptul de biocibernetică. Principii de autoreglare a proceselor biologice (feedback pozitiv și negativ, auto-oscilații, bioritmuri). Rolul declanșatorilor biologici în reglarea metabolismului.

CARDUL EDUCAȚIONAL ȘI METODOLOGIC

Numărul secțiunii, subiectul, lecția

Titlul secțiunii, subiectului, lecției; lista problemelor de studiat

Numărul de ore de clasă

Suport material pentru lecție (vizual, material didactic etc.)

Literatură

Forme de control

practic

(seminare)

laborator

a reușit

munca independentă a elevului

Introducere:

Subiectul și sarcinile de biofizică, probleme, stadii de dezvoltare, perspective și direcții de dezvoltare.

Diapozitive pentru proiector, tabla, creta

LD 1,2,3,4,6,7

examen

Termodinamica proceselor biologice

Sisteme termodinamice. Prima lege a termodinamicii, aplicabilitatea ei la sistemele biologice. Legea lui Hess și semnificația ei. A doua lege a termodinamicii aplicată biosistemelor. Stare staționară și echilibru termodinamic. Calcule ale modificărilor energiei libere și entropiei. Cuplarea termodinamică a reacțiilor, caracteristicile legilor termodinamicii în biologie.

Slide-uri pentru un proiector grafic, Desene explicative pe tablă.

Cinetica proceselor biologice. Ecuații cinetice elementare. Molecularitatea și ordinea reacțiilor. Caracteristici ale cineticii proceselor biologice. Dependența vitezei de reacție de concentrația substanțelor și temperatură. coeficientul Van Hoff. Energia de activare și definiția ei. Dependenţa vitezei de reacţie de natura catalizatorului.Cinetica proceselor enzimatice. Complex enzimatic-substrat, metode de detectare a acestuia. Reprezentare grafică a dependenței vitezei unei reacții enzimatice de concentrația substratului, temperatură, pH și alți factori. Ecuația Michaelis-Menten și transformarea sa algebrică pentru a determina constanta vitezei comune. Analiza cinetico-grafică a tipurilor de inhibiție.

Diapozitive pentru un proiector grafic.

Desene explicative pe tablă

Căi de conversie a energiei în celulă.

Celula este ca o mașină chimică. Caracteristicile termodinamice ale principalelor procese asociate conversiei energiei.

Slide-uri pentru un proiector grafic Desene explicative pe tablă

Procese fotobiologice. Clasificarea proceselor fotobiologice. Reacții fotochimice. Fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei. Mecanismul de interacțiune a luminii cu materia. Starea excitată a moleculelor. Mecanisme de absorbție a luminii de către materie. Fluorescență și fosforescență, caracteristici, proprietăți, semnificație.