URSS.ru Магазин научной книги
Обложка Владимиров Ю.А., Проскурнина Е.В. Лекции по медицинской биофизике
Id: 276400
1059 р.

Лекции по медицинской биофизике Изд. 2, испр.

URSS. 2023. 432 с. ISBN 978-5-9710-4713-1.
Типографская бумага

Аннотация

В основу данной книги легли лекции, много лет читаемые авторами на медико-биологическом факультете РНИМУ имени Н. И. Пирогова и факультете фундаментальной медицины МГУ имени М. В. Ломоносова. Учебник содержит изложение трех основных разделов фундаментальной медицинской биофизики, расположенных по мере усложнения биофизических систем — квантовой, молекулярной и клеточной биофизики. В книге рассмотрены следующие темы: взаимодействие света с веществом,... (Подробнее)


Оглавление
top
Оглавление3
Введение14
1. Место биофизики среди других биологических наук14
2. Роль математики в физике и биофизике16
3. Различие точек зрения врача и физика на живую и неживую природу17
4. Медицинская биофизика как учебный предмет18
Глава 1. Взаимодействие света с веществом20
1. Введение20
2. Свойства фотона23
3. Свойства электрона23
3.1. Интерференция электронной волны в атоме24
3.2. Уравнение Шредингера26
3.3. Уровни энергии электрона в потенциальном ящике28
3.4. Электронные орбитали и электронные переходы31
3.5. Молекулярные орбитали в молекуле формальдегида32
3.6. Электронные переходы в молекулах, метод ЛКАО–МО34
4. Спектры поглощения некоторых биологически важных соединений36
5. Характеристики светового излучения40
6. Теория молекулярных спектров41
7. Электронные переходы в молекулах при поглощении и испускании фотонов45
8. Количественные законы поглощения монохроматического света растворами47
9. Спектры пропускания и спектры поглощения52
10. Изменение спектров поглощения: спектрофотометры54
11. Качественный и количественный спектрофотометрический анализ57
12. Погрешности измерений в биологических объектах59
12.1. Влияние рассеяния света образцом59
12.2. Эффект «сита»60
13. Спектры отражения61
Глава 2. Люминесценция в биологических системах62
1. Явление люминесценции62
2. Электронные переходы в возбужденной молекуле63
2.1. Альтернативные пути растраты энергии возбуждения65
3. Законы люминесценции66
3.1. Закон Стокса66
3.2. Правило Каши66
3.3. Правило Левшина67
3.4. Закон Вавилова68
4. Связь интенсивности люминесценции с концентрацией вещества. Люминесцентный анализ68
5. Спектры возбуждения люминесценции70
6. Приборы для регистрации люминесценции71
6.1. Флуориметр со светофильтрами71
6.2. Спектрофлуориметры72
7. Поляризация флуоресценции73
8. Перенос энергии электронного возбуждения75
9. Некоторые другие примеры применения люминесценции77
9.1. Качественный и количественный анализ природных флуоресцирующих соединений78
9.2. Анализ образующихся или разрушающихся флуоресцирующих веществ79
9.3. Изучение проницаемости гематоэнцефалического барьера79
9.4. Иммуннофлуоресцентный анализ79
9.5. Доступность внутренних областей белковых молекул и биологических мембран для молекул кислорода80
9.6. Измерение микровязкости по степени эксимеризации пирена80
9.7. Распределение заряженных зондов между водной фазой и липидным слоем мембран81
9.8. Измерение мембранного потенциала83
9.9. Оценка полярности среды в окружении флуоресцентного зонда83
9.10. Флуоресцентная микроскопия85
10. Хемилюминесценция85
10.1. Основные стадии хемилюминесцентной реакции87
10.2. Эмпирические законы хемилюминесценции и их физический смысл88
11. Собственная хемилюминесценция (сверхслабое свечение)92
11.1. История изучения92
11.2. Терминология93
11.3. Хемилюминесценция, сопровождающая перекисное окисление липидов94
11.4. Другие биохимические реакции, ответственные за собственную хемилюминесценцию97
11.5. Две реакции, ответственные за перекисное окисление липидов98
11.6. Усиление хемилюминесценции сенсибилизаторами99
11.7. Перекисное окисление липидов в живых клетках, обнаруженное с помощью кумаринового красителя C-525103
12. Практическое применение собственной хемилюминесценции, связанной с перекисным окислением липидов104
12.1. Определение продуктов перекисного окисления104
12.2. Оценка антиоксидантной активности105
12.3. Измерение свечения плазмы крови в целях диагностики заболеваний109
13. Хемилюминесценция при активации фагоцитов109
Глава 3. Метод электронного парамагнитного резонанса113
1. Принцип метода ЭПР113
1.1. История открытия метода ЭПР113
1.2. Механический и магнитный моменты электрона113
1.3. Эффект Зеемана115
1.4. Основное уравнение резонанса116
2. Характеристики спектров ЭПР117
2.1. Амплитуда сигнала118
2.2. Форма линии119
2.3. Ширина линии120
2.4. Сверхтонкая структура спектров ЭПР122
3. Устройство радиоспектрометра ЭПР123
4. Сигналы ЭПР, наблюдаемые в биологических системах125
5. Метод спиновых меток и зондов127
6. Метод спиновых ловушек133
Глава 4. Биофизические стадии фотобиологических процессов135
1. Фотобиологические процессы и их стадии135
2. Фотохимический спектр действия137
3. Изменение свойств молекул в электронно-возбужденном состоянии142
3.1. Превращение связывающих (-орбиталей в разрыхляющие142
3.2. Изменение кислотно-основных свойств молекул142
3.3. Изменение окислительно-восстановительных свойств143
4. Комплексы с переносом заряда144
5. Методы изучения первичных фотопродуктов145
5.1. Импульсный фотолиз146
5.2. Импульсный радиолиз148
5.3. Изучение фотохимических реакций при глубоком охлаждении148
5.4. Использование метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)149
5.5. Ингибиторный анализ149
6. Молекулярно-клеточные механизмы действия низкоинтенсивного лазерного излучения150
7. Три гипотезы о механизмах действия НИЛИ152
7.1. Механизм 1: фотодинамическое действие лазерного излучения на биологические объекты153
7.2. Механизм 2: фотореактивация супероксиддисмутазы154
7.3. Механизм 3: фотолиз соединений, содержащих NO158
8. Участие эндогенных фотосенсибилизаторов в действии лазерного излучения на клетки159
8.1. Прайминг фагоцитов160
8.2. Усиление биосинтеза ферментов161
9. Фотолиз нитрозильных комплексов гемопротеинов163
9.1. Фотохимические реакции нитрозильных комплексов гемоглобина163
9.2. Фотохимические реакции нитрозильных комплексов цитохрома с166
Глава 5. Свободные радикалы в биологических системах169
1. Введение169
1.1. Что такое радикалы170
1.2. Классификация радикалов172
2. Методы исследования свободных радикалов175
2.1. Биофизические методы: электронный парамагнитный резонанс и хемилюминесценция175
2.2. Диеновая конъюгация176
2.3. Биомаркеры178
2.4. Ингибиторный анализ180
3. Активные формы кислорода180
3.1. Супероксидный анион-радикал182
3.2. Пероксид водорода и радикалы гидроксила185
3.3. Другие активные формы кислорода186
4. Цепное окисление липидов186
5. Нестационарная кинетика перекисного окисления липидов и хемилюминесценции, индуцированной ионами Fe2+188
5.1. Быстрая вспышка хемилюминесценции189
5.2. Медленная вспышка хемилюминесценции192
5.3. Латентный период развития хемилюминесценции192
5.4. Ионы Fe2+ как про- и антиоксиданты194
5.5. Экспериментальное определение эффективных констант скорости194
6. Математическое моделирование кинетики реакций197
6.1. Упрощение системы химических уравнений за счет замены нескольких реакций одной199
6.2. Числовое решение системы дифференциальных уравнений200
Глава 6. Рентгеноструктурный анализ205
1. В чем разница между микроскопией и рентгеноструктурным анализом?205
2. Основные этапы получения данных белковой структуры207
3. Выращивание белковых кристаллов208
4. Прибор для анализа дифракции рентгеновских лучей кристаллами (дифрактометр)209
5. Некоторые сведения о кристаллах210
5.1. Элементарная ячейка210
5.2. Координаты атомов в ячейке кристалла212
6. Рассеяние рентгеновских волн214
6.1. Некоторые свойства электромагнитной волны214
6.2. Вектор рассеяния216
6.3. Построение вектора рассеяния217
6.4. Сфера отражений218
7. Интерференция рассеянных волн и формирование рефлексов219
7.1. Сложение волн, рассеянных двумя центрами219
7.2. Интерференция волн, рассеянных атомами кристаллической решетки220
7.3. Геометрическая интерпретация уравнения S · a = h222
7.4. Рефлексы как проекция узлов на сфере Эвальда223
8. Обратная решетка кристалла226
8.1. Обратное пространство226
8.2. Обратная решетка кристалла227
9. Кристалл как система отражающих плоскостей229
9.1. Миллеровы плоскости отражения229
9.2. Интерференция отраженных лучей. Закон Брегга—Вульфа. Рефлексы231
9.3. Монохроматоры для рентгеновского излучения232
10. Появление рефлексов при прецессии кристалла233
10.1. Связь вектора рассеяния рефлекса hkl с миллеровыми плоскостями отражения hkl234
10.2. Условия Лауэ235
10.3. Зависит ли положение рефлекса от того, в каком месте элементарной ячейки расположен рассеивающий центр?236
11. Структурный фактор237
11.1. Что такое структурный фактор237
12. Структурные факторы электрона и атома238
12.1. Сложение структурных факторов239
12.2. Расчет структурных факторов атомов в элементарной ячейке кристалла239
12.3. Структурный фактор как функция электронной плотности240
13. Расчеты электронной плотности внутри элементарной ячейки241
14. Проблема фаз242
14.1. Измеряя интенсивность рефлекса, мы можем рассчитать амплитуду структурного фактора, но не знаем его фазу242
14.2. Метод изоморфного замещения244
14.3. Определение координат тяжелого атома в элементарной ячейке белкового кристалла245
14.4. Построение Харкера246
15. Расшифровка пространственной структуры макромолекул248
Глава 7. Структура и функции белковых молекул250
1. Международная база данных структуры белков (Protein Data Base, PDB)250
2. Классификация белков по их структуре и проблемы эволюции252
2.1. Фибриллярные белки253
2.2. Мембранные белки253
2.3. Глобулярные белки254
3. Как знание структуры молекулы белка помогает понять механизм ее работы255
3.1. Каталаза, как она устроена, работает и защищается255
3.2. Перенос электронов в дыхательной цепи митохондрий258
3.3. Утечка электронов и образование свободных радикалов261
4. Перспективы практического применения263
4.1. Конструирование новых лекарственных препаратов (драг-дизайн)263
4.2. Молекулярная биоэлектроника и нанотехнологии265
4.3. Биомолекулярные роботы?266
Глава 8. Структура биологических мембран268
1. История изучения свойств и строения мембран269
2. Биофизические методы изучения структуры мембранных белков и липидов272
2.1. Электронная микроскопия272
2.2. Дифракция рентгеновских лучей (рентгеноструктурный анализ)273
2.3. Ядерный магнитный резонанс274
2.4. Другие методы280
3. Белки мембран281
4. Распределение функций между белками и липидами281
5. Химический состав мембран283
6. Липиды мембран284
6.1. Липидные кристаллы286
6.2. Самосборка липидных мембран в водной среде288
6.3. Монослои фосфолипидов на границе раздела фаз289
7. Модельные мембраны294
7.1. Липосомы294
7.2. Бислойные липидные мембраны (БЛМ)294
8. Фазовые переходы липидов в мембранах295
8.1. Подвижность углеводородных цепей фосфолипидных молекул295
8.2. Фазовые состояния липидного бислоя296
8.3. Плавление липидов при нагревании297
8.4. Метод дифференциальной сканирующей микрокалориметрии298
9. Кривые плавления300
9.1. Анализ кривых ДСК300
9.2. Измерение флуоресценции зондов301
9.3. Использование спиновых зондов302
9.4. Светорассеяние304
10. Кооперативность фазовых переходов305
10.1. Фазовое равновесие305
10.2. Понятие кооперативной единицы306
10.3. Влияние размера кооперативной единицы на форму кривых плавления308
11. Физическое состояние липидного бислоя и активность ферментов в биомембранах309
Глава 9. Перенос веществ через мембраны310
1. Основные понятия310
2. Пассивный транспорт311
2.1. Облегченная диффузия312
3. Активный транспорт313
3.1. Кальций-транспортная АТФаза (Са-АТФаза)313
3.2. Na-K-АТФаза314
3.3. Н+-АТФаза315
3.4. Протонные помпы электрон-транспортных систем316
4. Сопряженный транспорт317
5. Перемещения иона в мембране317
5.1. Кинки317
5.2. Диффузия как результат хаотического блуждания молекул318
5.3. Вывод основного уравнения диффузии319
6. Поток ионов через мембрану321
6.1. Проницаемость321
6.2. Роль примембранных слоев воды323
6.3. Относительный вклад мембраны и примембранной воды в общее сопротивление потоку325
7. Диффузия ионов при наличии электрического поля326
7.1. Мембранные потенциалы326
7.2. Изменение величины потенциальных барьеров для движения иона при наличии внешнего электрического поля328
7.3. Однобарьерная модель ионного транспорта331
7.4. Электродиффузия иона в однородной среде332
7.5. Диффузия и электрофорез333
7.6. Скорость перемещения ионов в электрическом поле334
7.7. Электродиффузия как сумма диффузии и электрофореза335
7.8. Уравнение Теорелла335
7.9. Связь между потоком ионов и электрическим током в среде336
8. Электродиффузионый поток ионов через мембрану337
8.1. Решение уравнения Нернста—Планка в приближении Гольдмана337
8.2. Электропроводность мембраны338
8.3. Профиль потенциала в мембране339
8.4. Что значит «по градиенту»?340
Глава 10. Ионные каналы и насосы342
1. Каналы, образуемые грамицидином А343
2. Проводимость одиночных каналов346
3. Взаимодействие ионов в канале348
4. Сопряженный транспорт349
4.1. Сопряжение на переносчике350
4.2. Сопряжение через изменение рН350
4.3. Сопряжение транспорта ионов через мембранный потенциал351
4.4. Условия сопряжения351
5. Эффекты насыщения352
6. Кальций-транспортные АТФазы354
6.1. Выделение и очистка СаАТФазы355
6.2. Энергетика транспорта ионов кальция356
6.3. Механизм переноса ионов кальция357
6.4. Связывание ионов кальция (стадия 1)358
6.5. Связывание АТФ (стадия 2)360
6.6. Фосфорилирование белка (стадия 3)360
6.7. Гидролиз энзим-фосфатного комплекса (стадия 4)361
6.8. Перенос кальция через мембрану (транслокация)362
6.9. Завершение цикла — гидролиз фосфофермента (стадии 5 и 6)362
6.10. Прямые доказательства изменения конформации функционирующего фермента363
6.11. Физическое состояние липидов и работа СаАТФазы363
6.12. Строение кальциевой АТФазы364
6.13. Другие СаАТФазы365
6.14. Регуляция активности транспортных АТФаз366
6.15. Нарушение активности СаАТФазы в патологии366
Глава 11. Биоэлектронегенез369
1. Происхождение потенциалов покоя369
1.1. Равновесный потенциал Нернста369
1.2. Доннановское равновесие и потенциал Доннана371
1.3. Стационарный потенциал Гольдмана—Ходжкина373
1.4. Потенциал при работе электрогенной помпы375
2. Генерация потенциалов действия377
2.1. Ионные токи через мембрану379
2.2. Математическое описание кинетики ионных токов381
2.3. Селективность ионных каналов386
3. Распространение потенциала действия по нервному волокну387
3.1. Постановка задачи388
3.2. Этап 1: зависимость потенциала от времени в заданном месте388
3.3. Этап 2: зависимость потенциала от координаты в данный момент времени389
3.4. Телеграфное уравнение391
3.5. Снижение потенциала с расстоянием391
4. Явление электрического пробоя392
4.1. Электрический пробой разностью потенциалов, приложенных извне393
4.2. Самопробой БЛМ собственным диффузионным потенциалом394
4.3. Электрический пробой фосфолипидных везикул (липосом)396
4.4. Электрический пробой мембран эритроцитов398
4.5. Электрический пробой внутренней мембраны митохондрий399
4.6. Электрический пробой мембран — универсальный механизм нарушения барьерной функции мембран в патологии402
Приложение406
1. Комплексные числа406
1.1. Изображение комплексного числа в виде точки на комплексной плоскости406
1.2. Представление комплексного числа в виде показательной функции407
1.3. Сложение и умножение комплексных чисел407
2. Колебания408
2.1. Колебательные процессы в неживой и живой природе408
2.2. Упругое колебание409
2.3. Графическое представление гармонического колебания411
2.4. Скорость и ускорение колеблющегося тела413
2.5. Кинетическая и потенциальная энергии колебательных движений413
2.6. Затухающие колебания414
3. Волны416
3.1. Механические волны416
3.2. Плоские и сферические волны417
3.3. Уравнение плоской волны417
3.4. Волновое уравнение419
4. Преобразование Фурье420
Рекомендуемая литература427

Об авторах
top
photoВладимиров Юрий Андреевич
Академик РАН. Доктор биологических наук, профессор. Лауреат Государственной премии СССР. Заслуженный деятель науки Российской Федерации. Награжден орденом Дружбы. Профессор кафедры общей и медицинской биофизики МБФ РНИМУ имени Н. И. Пирогова. Заведующий кафедрой медицинской биофизики факультета фундаментальной медицины МГУ имени М. В. Ломоносова. Главный научный сотрудник Института кристаллографии РАН, главный научный сотрудник НИИ физико-химической медицины Федерального медико-биологического агентства.

Ю. А. Владимиров — основоположник медицинской биофизики в СССР и России. Он внес существенный вклад в становление таких разделов биофизики, как биофотоника, медицинская мембранология и разработка биофизических методов клинического лабораторного анализа. Он изучил индуктивно-резонансный перенос энергии в молекуле гемоглобина и измерение переноса энергии, что широко используются в мировой науке для изучения структуры белков, открыл явление собственного (сверхслабого) свечения при биохимических реакциях, положившее начало исследованиям в этой области в СССР и в мире. Общепризнаны исследования Ю. А. Владимирова и его сотрудников в области изучения механизма свободнорадикального окисления липидов и действия этого процесса на мембранные структуры клеток.

photoПроскурнина Елена Васильевна
Кандидат химических наук, доктор медицинских наук, главный научный сотрудник лаборатории молекулярной биологии Медико-генетического научного центра имени академика Н. П. Бочкова. Автор более 100 научных работ. Специализируется в области фундаментальных и прикладных исследований окислительного стресса в живых системах.