Владимиров Ю.А., Проскурнина Е.В. Лекции по медицинской биофизике Изд. 2, испр.

2023. 432 с.

Серия: Классический учебник МГУ

Типографская бумага

Мягкая обложка
Твердый переплет 1399 р. ››

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

Оглавление				3
Введение				14
1. Место биофизики среди других биологических наук				14
2. Роль математики в физике и биофизике				16
3. Различие точек зрения врача и физика на живую и неживую природу				17
4. Медицинская биофизика как учебный предмет				18
Глава 1. Взаимодействие света с веществом				20
1. Введение				20
2. Свойства фотона				23
3. Свойства электрона				23
3.1. Интерференция электронной волны в атоме				24
3.2. Уравнение Шредингера				26
3.3. Уровни энергии электрона в потенциальном ящике				28
3.4. Электронные орбитали и электронные переходы				31
3.5. Молекулярные орбитали в молекуле формальдегида				32
3.6. Электронные переходы в молекулах, метод ЛКАО–МО				34
4. Спектры поглощения некоторых биологически важных соединений				36
5. Характеристики светового излучения				40
6. Теория молекулярных спектров				41
7. Электронные переходы в молекулах при поглощении и испускании фотонов				45
8. Количественные законы поглощения монохроматического света растворами				47
9. Спектры пропускания и спектры поглощения				52
10. Изменение спектров поглощения: спектрофотометры				54
11. Качественный и количественный спектрофотометрический анализ				57
12. Погрешности измерений в биологических объектах				59
12.1. Влияние рассеяния света образцом				59
12.2. Эффект «сита»				60
13. Спектры отражения				61
Глава 2. Люминесценция в биологических системах				62
1. Явление люминесценции				62
2. Электронные переходы в возбужденной молекуле				63
2.1. Альтернативные пути растраты энергии возбуждения				65
3. Законы люминесценции				66
3.1. Закон Стокса				66
3.2. Правило Каши				66
3.3. Правило Левшина				67
3.4. Закон Вавилова				68
4. Связь интенсивности люминесценции с концентрацией вещества. Люминесцентный анализ				68
5. Спектры возбуждения люминесценции				70
6. Приборы для регистрации люминесценции				71
6.1. Флуориметр со светофильтрами				71
6.2. Спектрофлуориметры				72
7. Поляризация флуоресценции				73
8. Перенос энергии электронного возбуждения				75
9. Некоторые другие примеры применения люминесценции				77
9.1. Качественный и количественный анализ природных флуоресцирующих соединений				78
9.2. Анализ образующихся или разрушающихся флуоресцирующих веществ				79
9.3. Изучение проницаемости гематоэнцефалического барьера				79
9.4. Иммуннофлуоресцентный анализ				79
9.5. Доступность внутренних областей белковых молекул и биологических мембран для молекул кислорода				80
9.6. Измерение микровязкости по степени эксимеризации пирена				80
9.7. Распределение заряженных зондов между водной фазой и липидным слоем мембран				81
9.8. Измерение мембранного потенциала				83
9.9. Оценка полярности среды в окружении флуоресцентного зонда				83
9.10. Флуоресцентная микроскопия				85
10. Хемилюминесценция				85
10.1. Основные стадии хемилюминесцентной реакции				87
10.2. Эмпирические законы хемилюминесценции и их физический смысл				88
11. Собственная хемилюминесценция (сверхслабое свечение)				92
11.1. История изучения				92
11.2. Терминология				93
11.3. Хемилюминесценция, сопровождающая перекисное окисление липидов				94
11.4. Другие биохимические реакции, ответственные за собственную хемилюминесценцию				97
11.5. Две реакции, ответственные за перекисное окисление липидов				98
11.6. Усиление хемилюминесценции сенсибилизаторами				99
11.7. Перекисное окисление липидов в живых клетках, обнаруженное с помощью кумаринового красителя C-525				103
12. Практическое применение собственной хемилюминесценции, связанной с перекисным окислением липидов				104
12.1. Определение продуктов перекисного окисления				104
12.2. Оценка антиоксидантной активности				105
12.3. Измерение свечения плазмы крови в целях диагностики заболеваний				109
13. Хемилюминесценция при активации фагоцитов				109
Глава 3. Метод электронного парамагнитного резонанса				113
1. Принцип метода ЭПР				113
1.1. История открытия метода ЭПР				113
1.2. Механический и магнитный моменты электрона				113
1.3. Эффект Зеемана				115
1.4. Основное уравнение резонанса				116
2. Характеристики спектров ЭПР				117
2.1. Амплитуда сигнала				118
2.2. Форма линии				119
2.3. Ширина линии				120
2.4. Сверхтонкая структура спектров ЭПР				122
3. Устройство радиоспектрометра ЭПР				123
4. Сигналы ЭПР, наблюдаемые в биологических системах				125
5. Метод спиновых меток и зондов				127
6. Метод спиновых ловушек				133
Глава 4. Биофизические стадии фотобиологических процессов				135
1. Фотобиологические процессы и их стадии				135
2. Фотохимический спектр действия				137
3. Изменение свойств молекул в электронно-возбужденном состоянии				142
3.1. Превращение связывающих (-орбиталей в разрыхляющие				142
3.2. Изменение кислотно-основных свойств молекул				142
3.3. Изменение окислительно-восстановительных свойств				143
4. Комплексы с переносом заряда				144
5. Методы изучения первичных фотопродуктов				145
5.1. Импульсный фотолиз				146
5.2. Импульсный радиолиз				148
5.3. Изучение фотохимических реакций при глубоком охлаждении				148
5.4. Использование метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)				149
5.5. Ингибиторный анализ				149
6. Молекулярно-клеточные механизмы действия низкоинтенсивного лазерного излучения				150
7. Три гипотезы о механизмах действия НИЛИ				152
7.1. Механизм 1: фотодинамическое действие лазерного излучения на биологические объекты				153
7.2. Механизм 2: фотореактивация супероксиддисмутазы				154
7.3. Механизм 3: фотолиз соединений, содержащих NO				158
8. Участие эндогенных фотосенсибилизаторов в действии лазерного излучения на клетки				159
8.1. Прайминг фагоцитов				160
8.2. Усиление биосинтеза ферментов				161
9. Фотолиз нитрозильных комплексов гемопротеинов				163
9.1. Фотохимические реакции нитрозильных комплексов гемоглобина				163
9.2. Фотохимические реакции нитрозильных комплексов цитохрома с				166
Глава 5. Свободные радикалы в биологических системах				169
1. Введение				169
1.1. Что такое радикалы				170
1.2. Классификация радикалов				172
2. Методы исследования свободных радикалов				175
2.1. Биофизические методы: электронный парамагнитный резонанс и хемилюминесценция				175
2.2. Диеновая конъюгация				176
2.3. Биомаркеры				178
2.4. Ингибиторный анализ				180
3. Активные формы кислорода				180
3.1. Супероксидный анион-радикал				182
3.2. Пероксид водорода и радикалы гидроксила				185
3.3. Другие активные формы кислорода				186
4. Цепное окисление липидов				186
5. Нестационарная кинетика перекисного окисления липидов и хемилюминесценции, индуцированной ионами Fe2+				188
5.1. Быстрая вспышка хемилюминесценции				189
5.2. Медленная вспышка хемилюминесценции				192
5.3. Латентный период развития хемилюминесценции				192
5.4. Ионы Fe2+ как про- и антиоксиданты				194
5.5. Экспериментальное определение эффективных констант скорости				194
6. Математическое моделирование кинетики реакций				197
6.1. Упрощение системы химических уравнений за счет замены нескольких реакций одной				199
6.2. Числовое решение системы дифференциальных уравнений				200
Глава 6. Рентгеноструктурный анализ				205
1. В чем разница между микроскопией и рентгеноструктурным анализом?				205
2. Основные этапы получения данных белковой структуры				207
3. Выращивание белковых кристаллов				208
4. Прибор для анализа дифракции рентгеновских лучей кристаллами (дифрактометр)				209
5. Некоторые сведения о кристаллах				210
5.1. Элементарная ячейка				210
5.2. Координаты атомов в ячейке кристалла				212
6. Рассеяние рентгеновских волн				214
6.1. Некоторые свойства электромагнитной волны				214
6.2. Вектор рассеяния				216
6.3. Построение вектора рассеяния				217
6.4. Сфера отражений				218
7. Интерференция рассеянных волн и формирование рефлексов				219
7.1. Сложение волн, рассеянных двумя центрами				219
7.2. Интерференция волн, рассеянных атомами кристаллической решетки				220
7.3. Геометрическая интерпретация уравнения S · a = h				222
7.4. Рефлексы как проекция узлов на сфере Эвальда				223
8. Обратная решетка кристалла				226
8.1. Обратное пространство				226
8.2. Обратная решетка кристалла				227
9. Кристалл как система отражающих плоскостей				229
9.1. Миллеровы плоскости отражения				229
9.2. Интерференция отраженных лучей. Закон Брегга—Вульфа. Рефлексы				231
9.3. Монохроматоры для рентгеновского излучения				232
10. Появление рефлексов при прецессии кристалла				233
10.1. Связь вектора рассеяния рефлекса hkl с миллеровыми плоскостями отражения hkl				234
10.2. Условия Лауэ				235
10.3. Зависит ли положение рефлекса от того, в каком месте элементарной ячейки расположен рассеивающий центр?				236
11. Структурный фактор				237
11.1. Что такое структурный фактор				237
12. Структурные факторы электрона и атома				238
12.1. Сложение структурных факторов				239
12.2. Расчет структурных факторов атомов в элементарной ячейке кристалла				239
12.3. Структурный фактор как функция электронной плотности				240
13. Расчеты электронной плотности внутри элементарной ячейки				241
14. Проблема фаз				242
14.1. Измеряя интенсивность рефлекса, мы можем рассчитать амплитуду структурного фактора, но не знаем его фазу				242
14.2. Метод изоморфного замещения				244
14.3. Определение координат тяжелого атома в элементарной ячейке белкового кристалла				245
14.4. Построение Харкера				246
15. Расшифровка пространственной структуры макромолекул				248
Глава 7. Структура и функции белковых молекул				250
1. Международная база данных структуры белков (Protein Data Base, PDB)				250
2. Классификация белков по их структуре и проблемы эволюции				252
2.1. Фибриллярные белки				253
2.2. Мембранные белки				253
2.3. Глобулярные белки				254
3. Как знание структуры молекулы белка помогает понять механизм ее работы				255
3.1. Каталаза, как она устроена, работает и защищается				255
3.2. Перенос электронов в дыхательной цепи митохондрий				258
3.3. Утечка электронов и образование свободных радикалов				261
4. Перспективы практического применения				263
4.1. Конструирование новых лекарственных препаратов (драг-дизайн)				263
4.2. Молекулярная биоэлектроника и нанотехнологии				265
4.3. Биомолекулярные роботы?				266
Глава 8. Структура биологических мембран				268
1. История изучения свойств и строения мембран				269
2. Биофизические методы изучения структуры мембранных белков и липидов				272
2.1. Электронная микроскопия				272
2.2. Дифракция рентгеновских лучей (рентгеноструктурный анализ)				273
2.3. Ядерный магнитный резонанс				274
2.4. Другие методы				280
3. Белки мембран				281
4. Распределение функций между белками и липидами				281
5. Химический состав мембран				283
6. Липиды мембран				284
6.1. Липидные кристаллы				286
6.2. Самосборка липидных мембран в водной среде				288
6.3. Монослои фосфолипидов на границе раздела фаз				289
7. Модельные мембраны				294
7.1. Липосомы				294
7.2. Бислойные липидные мембраны (БЛМ)				294
8. Фазовые переходы липидов в мембранах				295
8.1. Подвижность углеводородных цепей фосфолипидных молекул				295
8.2. Фазовые состояния липидного бислоя				296
8.3. Плавление липидов при нагревании				297
8.4. Метод дифференциальной сканирующей микрокалориметрии				298
9. Кривые плавления				300
9.1. Анализ кривых ДСК				300
9.2. Измерение флуоресценции зондов				301
9.3. Использование спиновых зондов				302
9.4. Светорассеяние				304
10. Кооперативность фазовых переходов				305
10.1. Фазовое равновесие				305
10.2. Понятие кооперативной единицы				306
10.3. Влияние размера кооперативной единицы на форму кривых плавления				308
11. Физическое состояние липидного бислоя и активность ферментов в биомембранах				309
Глава 9. Перенос веществ через мембраны				310
1. Основные понятия				310
2. Пассивный транспорт				311
2.1. Облегченная диффузия				312
3. Активный транспорт				313
3.1. Кальций-транспортная АТФаза (Са-АТФаза)				313
3.2. Na-K-АТФаза				314
3.3. Н+-АТФаза				315
3.4. Протонные помпы электрон-транспортных систем				316
4. Сопряженный транспорт				317
5. Перемещения иона в мембране				317
5.1. Кинки				317
5.2. Диффузия как результат хаотического блуждания молекул				318
5.3. Вывод основного уравнения диффузии				319
6. Поток ионов через мембрану				321
6.1. Проницаемость				321
6.2. Роль примембранных слоев воды				323
6.3. Относительный вклад мембраны и примембранной воды в общее сопротивление потоку				325
7. Диффузия ионов при наличии электрического поля				326
7.1. Мембранные потенциалы				326
7.2. Изменение величины потенциальных барьеров для движения иона при наличии внешнего электрического поля				328
7.3. Однобарьерная модель ионного транспорта				331
7.4. Электродиффузия иона в однородной среде				332
7.5. Диффузия и электрофорез				333
7.6. Скорость перемещения ионов в электрическом поле				334
7.7. Электродиффузия как сумма диффузии и электрофореза				335
7.8. Уравнение Теорелла				335
7.9. Связь между потоком ионов и электрическим током в среде				336
8. Электродиффузионый поток ионов через мембрану				337
8.1. Решение уравнения Нернста—Планка в приближении Гольдмана				337
8.2. Электропроводность мембраны				338
8.3. Профиль потенциала в мембране				339
8.4. Что значит «по градиенту»?				340
Глава 10. Ионные каналы и насосы				342
1. Каналы, образуемые грамицидином А				343
2. Проводимость одиночных каналов				346
3. Взаимодействие ионов в канале				348
4. Сопряженный транспорт				349
4.1. Сопряжение на переносчике				350
4.2. Сопряжение через изменение рН				350
4.3. Сопряжение транспорта ионов через мембранный потенциал				351
4.4. Условия сопряжения				351
5. Эффекты насыщения				352
6. Кальций-транспортные АТФазы				354
6.1. Выделение и очистка СаАТФазы				355
6.2. Энергетика транспорта ионов кальция				356
6.3. Механизм переноса ионов кальция				357
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 фермента				363
6.11. Физическое состояние липидов и работа СаАТФазы				363
6.12. Строение кальциевой АТФазы				364
6.13. Другие СаАТФазы				365
6.14. Регуляция активности транспортных АТФаз				366
6.15. Нарушение активности СаАТФазы в патологии				366
Глава 11. Биоэлектронегенез				369
1. Происхождение потенциалов покоя				369
1.1. Равновесный потенциал Нернста				369
1.2. Доннановское равновесие и потенциал Доннана				371
1.3. Стационарный потенциал Гольдмана—Ходжкина				373
1.4. Потенциал при работе электрогенной помпы				375
2. Генерация потенциалов действия				377
2.1. Ионные токи через мембрану				379
2.2. Математическое описание кинетики ионных токов				381
2.3. Селективность ионных каналов				386
3. Распространение потенциала действия по нервному волокну				387
3.1. Постановка задачи				388
3.2. Этап 1: зависимость потенциала от времени в заданном месте				388
3.3. Этап 2: зависимость потенциала от координаты в данный момент времени				389
3.4. Телеграфное уравнение				391
3.5. Снижение потенциала с расстоянием				391
4. Явление электрического пробоя				392
4.1. Электрический пробой разностью потенциалов, приложенных извне				393
4.2. Самопробой БЛМ собственным диффузионным потенциалом				394
4.3. Электрический пробой фосфолипидных везикул (липосом)				396
4.4. Электрический пробой мембран эритроцитов				398
4.5. Электрический пробой внутренней мембраны митохондрий				399
4.6. Электрический пробой мембран — универсальный механизм нарушения барьерной функции мембран в патологии				402
Приложение				406
1. Комплексные числа				406
1.1. Изображение комплексного числа в виде точки на комплексной плоскости				406
1.2. Представление комплексного числа в виде показательной функции				407
1.3. Сложение и умножение комплексных чисел				407
2. Колебания				408
2.1. Колебательные процессы в неживой и живой природе				408
2.2. Упругое колебание				409
2.3. Графическое представление гармонического колебания				411
2.4. Скорость и ускорение колеблющегося тела				413
2.5. Кинетическая и потенциальная энергии колебательных движений				413
2.6. Затухающие колебания				414
3. Волны				416
3.1. Механические волны				416
3.2. Плоские и сферические волны				417
3.3. Уравнение плоской волны				417
3.4. Волновое уравнение				419
4. Преобразование Фурье				420
Рекомендуемая литература				427

Об авторах

Владимиров 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.

Проскурнина 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.