11 кл - биофизика. Перспектива развития биофизики. Единство реального мира

Доброе утро!

22 апреля 09:30-09:50 Skype-консультация при необходимости (ссылка-приглашение в группу "11-Физика", если вы ещё не там: https://clck.ru/MtbtM)

До 23 апреля 08:30 необходимо:

1.     прочитать материал 55 (здесь ниже или в прикреплённом файле в Дневнике.ру) и создать обобщающую Google-форму или упражнение в LearningApps.org  (данные для входа, или зарегистрируйтесь сами и присоединитесь к нашему классу по ссылке https://clck.ru/N3QLS)

2.     на дополнительную отметку (по желанию) на выбор: 
1) подготовить сообщение (фото записей в тетради или ссылка на публикация во ВКонтакте) о перспективе развития биофизики и единстве реального мира; 
2) или создать по этой теме инфографику (в любом формате)

Критерии оценивания созданной работы (опрос/тест/упражнение): 

"5" за 5 вопросов по теме

"4" за 4 вопроса

"3" за 3 вопроса

"2" - менее 3 вопросов

55. ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ БИОФИЗИКИ. ЕДИНСТВО РЕАЛЬНОГО МИРА

Из опубликованной статьи «К вопросу о современных направлениях развития биофизики клетки» №57-4, 27.12.2016. медицинские науки (Тюшев Валентин Евгеньевич, кандидат наук, доцент, доцент; Ушверидзе Лариса Александровна, кандидат наук, доцент, доцент; Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова)

 
Современный этап развития медицинских наук определяется формированием новых подотраслей, в которых значительное внимание уделено проведению фундаментальных исследований с использованием современных технологий. Такими подотраслями являются биофизика и медицинская кибернетика, относительно молодые научные направления, сформированные на стыке соответствующих наук. Неспроста Нобелевская премия 2016 года в категории «Физиология и медицина» была присуждена биофизику Е. Осуми, раскрывшему физические процессы, протекающие во внутриклеточных мембранах, и доказавшему одну из причин возникновения онкологических заболеваний, болезни Альцгеймера и др. – трансформационные сбои в формировании внутриклеточных мембран. Это, как и многие другие исследования, позволяют определить биофизику, в том числе биофизику клетки, как значимое сегодня научное направление.

С этой точки зрения изучаемая студентами медицинских вузов дисциплина «физика» или «биофизика» включает в себя раздел «биофизика клетки». Следует отметить, что современная биофизика ориентирована на исследования механизмов физических и физико-химических процессов на клеточном уровне. Что является вполне обоснованным, так как жизненные функции присущи клетке, которая является не просто структурной единицей живого организма, но и открытой термодинамической системой, обменивающейся с окружающей средой веществом, энергией, информацией. Как справедливо отмечается во многих научных трудах и учебниках [1-6], биофизика клетки – особый, имеющий большое значение раздел биологии, физики, медицины, позволяющий наиболее полно раскрывать современные исследования на атомном и молекулярном уровне с исследованиями на уровне органов и биологических систем в целом. Подобное развитие биофизики становится возможным только за счет применения современных технологий, в частности электронной микроскопии. Здесь же отметим, что вклад Осуми важен и потому, что ученому удалось описать на языке микроскопии решение задач флуорисцентного и ингибиторного анализа. Благодаря этому новый толчок в своем развитии получила не только биофизика, но и медицинские науки в целом, занимающиеся вопросами разработки алгоритмов лечения и лекарственных препаратов для борьбы с онкологическими заболеваниями, болезнью Паркинсона, Альцгеймера и т.д.

Учитывая большую значимость раздела «биофизика клетки» в обучении студентов медицинских вузов для формирования у них фундаментальных знаний в области физических и химических процессов, протекающих в клетке, особенно при ее открытом взаимодействии со средой, рассмотрим в качестве примера результаты актуальных исследований внутриклеточной сигнализации. В клеточной биофизике механизмы формирования клеточного ответа на стимул являются часто исследуемым объектом. Несмотря на то, что сегодня достигнут значительный прогресс в понимании способов активизации клеток, роли вторичного посредника – ионов кальция учеными уделяется особое внимание. При этом известно, что изменения в транспорте и внутриклеточной концентрации ионов кальция оказывают влияние на общие и специализированные клеточные функции, в том числе пролиферацию, рост, секрецию, сокращение, иммунный ответ. Поэтому была поставлена задача исследования роли температурного фактора в регуляции рецептор-зависимого входа ионов кальция и изменения внутриклеточного pH в клетках асцитной карциномы Эрлиха (АКЭ) при активации их экзогенного аденозинтрифосфата (АТФ). Здесь же необходимо отметить, что далее анализируя полученные результаты исследования, было подтверждено, что молекула АТФ, являясь универсальным источником энергии, выступает в роли мессенджера, определяя само поведение клеток.

По аналогии с известными экспериментами в данной области [2-5], клетки АКЭ поддерживали в белых беспородных мышах с помощью внутрибрюшинного введения асцитной жидкости от опухоленесущих животных-доноров. В эксперименте использ

ованы клетки через 7-8 дней после прививки. Концентрацию ионов кальция в цитозоле измеряли с помощью флуоресцентного зонда Фура-2, внутриклеточный pH определяли с использованием зонда BCECF. Для регистрации указанных параметров клетки помещали в термостатируемую ячейку флуориметра при постоянном перемешивании. Учитывая, что в процессе эксперимента окрашенные Фура-2 и BCECF клетки хранили в холодильнике при температуре +4ºС перед помещением в термостатируемую ячейку с температурой +37ºС, был также исследован процесс адаптации клеток к смене температуры. Сравнение внутриклеточной концентрации кальция и pH-ответа в клетках, инкубированных в разное время при температуре +37ºС, свидетельствует о том, что для развития pH-ответа и полноценного кальциевого сигнала необходим предварительный 8-10-минутный период инкубации клеток при температуре + 37ºС. Если АТФ добавляли раньше этого срока, то не наблюдали повышения pH, а в Са-сигнале отсутствовала вторая фаза, связанная с входом ионов кальция из внеклеточной среды. Такая зависимость от температуры pH и кальциевых ответов на АТФ, по-видимому, объясняется температурной чувствительностью механизмов, генерирующих эти ионные сигналы. В данных экспериментах также подтверждается взаимосвязь процессов ионов кальция и активации натрий - водородного обмена.

По-нашему мнению, эти данные необходимо учитывать при выяснении механизмов воздействия и побочных эффектов лекарственных средств от температуры различных органов и тканей, на которые непосредственно действуют препараты. Результаты работы являются важным дополнением для разработки методов, использующих измерение ионных сигналов в качестве теста - мониторинга на биологическую и фармакологическую активность лекарств.

Из статьи «Перспективы развития биофизики. Изучение спонтанных квантовых явлений» (Журавлев А. И., Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии им. К. И. Скрябина, кафедра биофизики, 109472, г. Москва, ул. Академика Скрябина 23, Россия)

Открытие Б.Н. Тарусовым (Биофизика, 1961, №4, с.490-492) прижизненного спонтанного сверхслабого свечения (С.С.С.) органов и тканей млекопитающих в области 360-1200 нм поставило вопрос о биологической роли этого универсального явления.

Применение соединений, увеличивающих только квантовый выход излучения - активаторов, показало, что число не излучающих электронных возбужденных состояний (ЭВС) на 2-3 порядка выше, чем излучающих, и их количества достаточно для участия в метаболизме.

Показана связь интенсивности С.С.С. с различными патологиями и требуется дальнейшее увеличение чувствительности регистрирующих установок (Биофизика, 1991, №3, с. 489-497).

Показана возможность применения С.С.С. как диагностического теста при первичных и острых кризах отторжения трансплантированного органа; при дифференциальной диагностике ранних стадий туберкулеза и рака легких; в определении аллергена.

Мы выдвигаем гипотезу о двухуровневой биоэнергетике млекопитающих по типу двухуровневой биоэнергетики светляков.

Первый, низкий уровень, обеспечивается макроэнергетическими связями АТФ, 6-12 ккал/Моль, достаточной для разрыва и синтеза водородных связей, конформационных превращений вторичной и третичной структур и запуска второго уровня.

Второй, более высокий уровень определяется окислением липидов в липид-белковых комплексах с синтезом ЭВС-ферментов, с энергией 40-80 ккал/Моль, достаточной для разрыва и синтеза прочных ковалентных связей первичной структуры в гидрофобных фазах биополимеров и мембран.

Активной спонтанной биохемилюминесценции, то есть потере энергии ЭВС - ферментов, препятствуют: структура белков, обладающая низкими квантовыми выходами излучения (работы С.В. Конева и др.), и наличие в тканях и клетках системы тушителей, включающих каротиноиды, гем, кислород, углекислоту, воду.

Наши эксперименты показали, что -каротин ослабляет - тушит спонтанную биохемилюминесценцию сыворотки крови при его низкой антиокислительной способности.

Показана способность дистиллированной воды к активной люминесценции под влиянием низко терапевтических интенсивностей ультразвука и тушащее действие углекислого газа