Нано-частицы в биологии и медицине

Я лекция

Строение атома

Атомистическая теория Дальтона: атом -- неделимый объект.

Открытие катодных лучей -- в середине 19 в. ученые изучали эл. заряд в трубках, из которых был откачан воздух. Внутри трубок происходит свечение при напряжении ок. 1000 вольт. Такое свечение называется КЛ.

· КЛ в отсутствии эл. и магн. полей распространяются прямолинейно. При наложении этих полей -- отклоняются подобно тому, как это делают отрицательно заряженные частицы.

· Движение КЛ можно проследить, они вызывают свечение (флуоресценция) отдельных материалов, включая стекло.

· КТ не зависят от того, из какого материала сделан катод. И это позволило заключить, что они являются составной частью всех веществ. И впоследствии эти КЛ стали называть электронами.

 

Открытие радиоактивности: (явление открыто в 1996 г. фр. ученым Анри Беккерелем).
Радиоактивность -- это самопроизвольное испускание излучения. Это явление в дальнейшем изучал Э.Резерфорд. Это позволило обнаружить существование трёх ввидов излучения:

Было исследовано поведение этих лучей в эл и магн. поле

· БЕТТА-излучение - это поток электронов; имеет большую проницательную способность.

· АЛЬФА-изучение - ядра атома гелия, поскольку при их взаимодействии с электронами образуется; имеет небольшую проникающую способность и может быть задержано даже бумагой.

· гамма излучеие - в 1000 раз больше.

 

После открытия электронов, согласно теории Томсона, -- атом представляют в виде облака положительного заряда, в которое внедрены отрицательно заряженные электроны.
Резерфорд, выяснив природу альфа частиц, стал использовать их для изучения строения атома. Он изучал характер рассеивания узкого пучка альфа частиц при прохождении через тонкую золотую фольгу. Согласно наблюдениям Резерфорда, большая часть альфа частиц отклонялась, а некоторая даже возвращалась к источнику излучения. «Большая часть альфа частиц проходит через фольгу без отклонения, так как основная часть пространства в атоме занята электронами, имеющими массу, которые не влияют на распространение частиц».

Отклонение незначительной доли альфа частиц объясняется тем, что они, проходя через небольшую часть ядра, заряжены положительно, а атом золота имеет гораздо большую массу, чем атом гелия. Резерфорд смог предположить, что ядро атома золота имеет намного больший заряд, чем ядро атома гелия

Отталкивание двух положительных частиц достаточно сильное, чтобы меньшая частица альфа отразилась от ядра атома золота в обратном направлении.

Таким образом, родилась ядерная модель строения атома.

Резерфорд вскоре после открытия протона пришел к представлению: атом как миниатюрная Солнечная система. Атом состоит из небольшого ядра, окруженного заряженными электронами, которые вращаются вокруг него по круговым и эллиптическим орбитам на сравнительно большом расстоянии.

Уже после разработки этой теории были открыты нейтрон и другие элем. частицы. Было доказано, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов, а электроны распределены по некоторым оболочкам на различных расстояниях от ядра. Электроны вращаются вокруг небольшого ядра со скоростями, превыше 160 000 км/сек. Расстояние между ядром и электронами в атоме очень велико. Если все электроны и ядра атомов всех соединений на земле спрессовать, то получится шар, диаметр которого 800 метров. А диаметр Земли - 12 756 км

Вес такого шара был бы равен весу Земли, а плотность - 100 млн тонн/куб.см

Вещество внутри внезапно сжимающихся звезд может иметь приблизительно такую плотность. Ядро атома, которое определяет массу атома, состоит из протонов и нейтронов. Диаметр ядра составляет 10^-4 от диаметра атома. Масса протона близка к массе атома водорода, и она принята за единицу атомного веса. Протон несет элементарный положительный заряд. Масса нейтрона ничтожно мала. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов, окружающих его электронов, поэтому атом в целом электро-нейтрален. Заряд электрона - это наименьшее известное нам кол-во электричества. Это 4,8 * 10^-10 статических единиц. Если принять его за единицу, то выраженный в таких единицах заряд ядра будет численно равняться порядковому номеру элемента, показывающего, какое по счету место занимает данный элемент в периодической системе элементов (1869 г. Д.И. Менделеев)

Окружающие ядро электроны распределяются на группы или слои, которые формируют оболочку атома. В каждом слое имеется определенное кол-во электронов. Было установлено, что число электронов в наружном слое для всех элементов не превышает 8-ми. Электроны наружного слоя наиболее отдалены от ядра и наименее прочно с ним связаны. Они могут отрываться от атома и присоединяться к другим, входя в состав их наружного слоя, если до этого было меньше 8 электронов. Потеря электронов атомом или присоединение нарушает его электро-нейтральность, и он становится заряженным. В первом случае положительно (теряет электроны), во втором случае отрицательно (получает электроны - они называются ионами). Ионы обозначаются такими же символами, что и атомы, добавляя к ним справа вверху столько знаков + -, скольким единицам равняется заряд иона. Величина заряда иона зависит от числа потерянных или присоединенных атомом электронов. Присоединение к атому некоторого числа электронов превращает его в ион с таким же числом электронов. Потеря некоторого числа электронов превращает его в ион с таким же числом положительных зарядов.

Многие ионы могут терять или присоединять электроны, превращаясь в электронно-нейтральные частицы или в новые ионы. Отдача электронов или их присоединение происходит при различных химических процессах, в частности превращение в сложные вещества простых.

Планетарная модель атома позволила объяснить результаты опытов рассеивания альфа частиц, но она не объясняла устойчивость атома.

1913 г. Н. Бор предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам (квантовая модель). Однако движение по окружности даже с постоянной скоростью обладает ускорением. Такое ускоренное движение заряда эквивалентно переменному току, которое создает переменное электромагнитное поле. На создание этого поля расходуется энергия. Энергия этого поля возникает за счет энергии Кулоновского взаимодействия электрона и ядра. В результате электрон должен двигаться по спирали и упасть на ядро. Однако известно, что это не происходит, атомы - очень устойчивые образования. Отсюда следует вывод, что классическая электродинамика не работает в атомных процессах. В основу своей теории Бор положил следующие постулаты

· Постулат стационарных состояний - в атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные состояния орбит, по которым движутся электроны. Этот постулат противоречит классической теории механики.

· Постулат частот - при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую поглощается один фотон с энергией hV= En-Em соответствующих стационарных состояний до и после излучения. Переходу электрона со стационарной орбиты под номером n на стационарную орбиту под номером m соответствует переход атома из состояния энергии En в состояние Em. Если En больше Em, то атом излучает фотон = Переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на близлежащую к ядру орбиту. Если En меньше Em, то наблюдается поглощение фотона = переход электрона на более отдаленную от ядра орбиту. Таким образом, набор возможных дискретных частот квантовых переходов определяет линейчатый спектр атома. V = (En - Em)/ h

 

В 1923 г. Л. де Броиль в развитии представления о корпускулярно-волновом дуализме света выдвинул гипотезу об универсальности в корпускулярно-волновом дуализме. Фотоны, электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными свойствами обладают волновыми свойствами.

Энергия частицы Е и импульс частицы Р=mv - корпускулярные характеристики. А частота излучений и длина волны (Л)- волновые. Л= h/P

Эта гипотеза была подтверждена экспериментально и изменила представление о свойствах микрообъектов, то есть всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства.

Для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

 

В 1927 г. немецкий физик Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел к выводу: объект микромира невозможно охарактеризовать точно и одновременно и координатой, и импульсом. Это принцип неопределенности Гейзеберга.

Микрочастица не может иметь одновременно координату х и определенный импульс, причем неопределенность этих величин удовлетворяет условию

дельтаХ* дельтаР больше или равно h.

 

Я лекция

В 1927 году Николас Бор сформулировал принцип дополнительности, это принципиальное положение квантовой механики. Из него следует получение экспериментальной информации об одних физических величинах, которые описывают микрообъект, неизбежно связанно с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например координату частицы и ее импульс. Отличительной особенностью квантовой теории является необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц.

В 1926 году немецкий физик Макс Горн предположил, что по волновому закону меняется не вероятность обнаружения частицы в некоторых точках пространства, а амплитуда вероятности, которая была названа волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический характер.

Квадрат модуля волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном пространстве.

Основное уравнение квантовой теории было сформулировано австрийским физиком Эрвином Шредингером, и как и многие уравнения оно постулируется.

 

Строение атома

Современные представления о строение атомного ядра

Ядро состоит из нуклонов (p – из кварков, N).

Кварк – фундаментальная частица, которая обладает электрическим зарядом, кратным 1/3 заряда электрона (по модулю). Эта частица входит в состав адронов.

Адроны – класс элементарных частиц, которые подвергаются сильному взаимодействию.

P – состоит из 2х u-кварков с зарядом 2/3 и одного d-кварка с зарядом 1/3. Эти кварки связаны глюонным полем.

Глюоны – элементарные частицы, ответственные за взаимодействия кварков.

N – состоит из 1 u-кварка и 2х d-кварков.

Нано-наука и нано-технологии

Нано-наука – совокупность знаний о фундаментальных свойствах веществ в нано-метровом масштабе. Результаты нано-науки реализуются в нано-технологиях путем создания новых материалов, функционирующих устройств и структур, которые используют молекулярный, атомный и нано-метр уровень.

Нано – метр= м

1 акстрем =

Одно из основных направлений нано-науки становится нано-химия.

Главная причина – исследования нано-частиц различных элементов периодической системы элементов, открывающих новые направления в химии, которые не описываются ранее изученными закономерностями. Это связано с тем, что подобные образования (н-частиц Ме) содержат около 10 атомов, которые образуют поверхностную частицу, практически не имеющую объема, но обладающую очень высокой химической активностью.

В то же время, известно, что химические свойства и активность частицы можно изменить добавлением 1-ого атома или молекулы.

Выявление особенностей влияния размера или количества атомов в частице на физико-химические свойства и реакционную способность представляют собой одну из наиболее фундаментальных проблем современной химической науки.

Нано-частица – объект размером от 1 – 10 нано-метров, который состоит из атомов одного элемента или нескольких.

Предполагают, что это плотно упакованные частицы с произвольной внешней формой и структурной организацией. Изучение различных свойств отдельных нано-частиц составляет первое из направлений нано-науки. Другое направление связано с изучением расположения атома внутри структуры, которая сформирована из нано-частиц.

Методы получения нано-частиц:

· Подход снизу – путем укрупнения отдельных атомов. Характерен для химических способов получения нано-частиц. Позволяет рассматривать единичную как нижнюю границу нано-частиц. Верхняя граница – такое количество атомов в нано-частицах, при дальнейшем увеличении которого не происходит качественных изменений химических свойств, и они становятся аналогичны свойствам металлов, поэтому количество атомов, которое определяет верхнюю границу для нано-частиц индивидуально.

· Подход сверху – различные варианты диспергирования (измельчение твердых частиц). Характерен для физических методов получения нано-частиц.

Принципиально важно, что структура нано-частиц одного и того же размера, но полученных разным путем различна.

При диспергировании компактных материалов до нано-размеров в частицах, как правило, сохраняется структура исходного образца. Частицы, полученные в результате агрегации атомов, могут иметь другое строение.

В последнее время внимание уделяется не только размерам нано-частиц, но и их форме (нано-частицы Металлов). Форма может зависеть от метода получения.

Форма может быть:

· Сферическая

· Цилиндрическая

· Кубическая

· Нано-стержневая

· Тонкие пленки

· Нано-трубки

· Нона-проволоки

· Нано-пояса

· Нано-ленты

½ 80кг – фуллерены – классически считается фуллерен, содержат 60 атомов углерода. Сфера, на поверхности которой 6-членные кольца, связаны между собой 5-членными циклами. На основе формы созданы соединения, которые обладают сверхпроводимостью, а также вещества, которые по упругости и твердости превосходят алмазы.

Скачок в нано-технологии был сделан после открытия нано-трубок. Они представляют собой результат свертывания простых атомных сеток графита в бесшовные цилиндры (односложные/многосложные). Внутренне строение углерода нано-трубок изменяется от 0,4 до нескольких нано-метров. В объемы внутренней полости нано-трубки могут входить другие вещества. Особенности строения углеродистых нано-трубок приводит к тому, что их химический свойства отличаются и от графита, и от фуллерена.

Фуллерены имеют небольшой внутренний объем и в нем могут поместиться лишь несколько атомов других элементов, а углерод нано-трубок имеет больший объем. Внутренности полости нано-трубок могут быть заполнены либо в процессе их синтеза, либо уже после их получения. Вещества (внутренности) могут участвовать в различных химических реакциях.

В 2010 Новосёлов и Атейн получили Нобелевскую премию по физике за опыты с графеном – двумерным кристаллом. Графен состоит из единичного слоя атомов углерода, атомы собраны в гексагон решетку.

Применение нано-частиц в науке и технике

Нано-частицы металлов используются для получения новых керамических материалов, ультрадисперсных порошков, в лазерной технике и т.д.

! Углеродистые нано-трубки применяются в виде массивных изделий, а также в виде миниатюрных устройств.

Множество трубок в качестве наполнителя для композитных материалов (массивных), для получения источников тока, аккумуляторов газа, абсорбентов, при изготовлении электронных устройств, сенсоров и т.д.

Углеродистые нано-трубки аккумулируют водород ().

Нано-трубки можно рассматривать, как своеобразные химические реакторы. Реакции, которые протекают в них отличаются от реакций в обычных условиях.

 

Нано-частицы в биологии и медицине

В настоящее время развивается направление, задачей которого является синтез систем, состоящих из нано-частиц металлов (золото, серебро), а также различных биомолекул. Существуют некоторые методы связи биомолекул и нано-частиц. Наиболее простой – адсорбция биомолекул на поверхности нано-частиц. Однако наиболее успешное применение находят нано-частицы, которые связаны химически. Такая система используется в качестве сенсоров и клеточных меток.

Удобными клеточными метками являются квантовые точки. Квантовые точки – фрагмент проводника и полупроводника, носители заряда которого ограничены в пространстве по всем измерениям.

При клеточном делении нано-частицы переходят в родственные клетки, и потеря метки не происходит.

Использование меток можно дополнить прич. магнитных нано-частиц. Для доставки лекарств и их введение с помощью магнитного поля в пораженные ткани.

Каждый тип нано-частиц обладает своими способностями:

· Полупроводник – флуоресцентная метка;

· Металлы и оксиды металлов – магнитные метки.

Отмечают токсичность квантовых точек, но несмотря на это их используют в качестве биометок и для диагностики болезней – активно развиваются направления.

В нано-медицине выделяют 5 основных направлений:

· Разработка системы адресной доставки лекарственных средств

· Создание нано-размерных лекарственных веществ

· Разработка систем диагностики для:

o Invivo – внутриживого

o Invitro – внутрипробирки

· Новые методы терапии

· Новые биоматериалы

Более 50% фармацевтических компаний, которые работают в области нано-медицины используют материал для разработки систем доставки лекарственных веществ к органам и тканям.

Эти препараты на сегодняшний день дают до 80% оборота в мировой нано-медицине. Использование систем доставки направленно на уменьшение неблагоприятных побочных эффектов лекарственных средств.

В целом, нано-технологии считаются самыми перспективными направлениями в современной технике, науке и промышленности. Они являются полезными для решения экологических проблем (для создания фильтров для очистки воды и воздуха).

Использование нано-технологий позволит отказаться от сжигания больших запасов угля, нефти и газа. Однако существует мнение о возможном негативном влиянии применении нано-технологий для экологической безопасности: мы не знаем всех свойств материала, с которыми работаем.

Как правило, нано-материалы более химически активны и поэтому ядовитые вещества из-за большой площади повреждения, следовательно, более токсичны.

Нано-частицы из-за своих малых размеров могут свободно проходить через стенки клеток, нарушать их работу, следовательно, сказываются на всем окружающем.

Использование нано-частиц в военных технологиях – чрезвычайно опасно. Японские эксперты установили, что нано-частицы могут впитывать загрязнения и распространять их в окружающей среде.

Отдельные вещества, которые разрабатываются на основе нано-технологий, могут повредить органы/ткани. Могут содействовать распространению загрязнения в окружающей среде.

Частные спонсоры/правительство выделяют огромные суммы на исследование нано-частиц. Однако многочисленные исследования позволяют сделать вывод, что использование нано-технологий наносит вред традиционной технологии.

 

Я лекция

Теории возникновения жизни.

Согласно теории Опарина из первичного бульона, состоящего из углеродистый соединений, могли образоваться белки и нуклеиновые кислоты.

Аминокислоты могут быть получены при пропускании электрического заряда через смесь газов, которые составляли первичную атмосферу Земли. Нуклеиновые кислоты тоже могут быть синтезированы. Таким образом была экспериментально доказана возможность абиогенного образования органических веществ во Вселенной. В результате теплового воздействия, ионизирующего и ультрафиолетового излучения, а так же электрических разрядов.

Переход от сложных органических соединений к простым живым организмам до сих пор не ясен. Самое трудное - это объяснить способность живых систем к самовоспроизводство. Следующей ступенью является образование клеточных мембран, которые разделяют сами эти органические вещества и окружающую среду.

Клетка - это главное структурное отличие живого от неживого. Клетки без ядра, которые носят название прокариоты, но имеющие нити ДНК напоминают бактерии или сине-зеленые водоросли. Возраст самых древнейших около 3-ех миллиардов лет. Около 2-ух миллиардов лет назад в клетках появилось ядро (эукариоты). Одноклеточные организмы носят название простейшие. В природе их около 30 тысяч видов. Около 2 миллионов лет назад появились первые многоклеточные организмы.

 

Учение о клетке.

Простейшие бактерии, многие грибы и водоросли представляют собой отдельно существующие клетки. Тело многоклеточных организмов построены из больше количества клеток. Но независимо от того, является ли клетка … она имеет набор признаков и свойств общих для всех клеток. В состав клетки сходит около 70-ти химических элементов. Если в земной коре наиболее распространенными элементами являются кислород, кремний, алюминий, железо, то в живых организмах около 98% массы составляют водород, углерод, кислород и азот. Кроме этих четырех элементах в клетках в заметном количестве присутствуют натрий, калий, кальций, хлор, сера, магний, железо. Они играют важную роль, например ионы натрия, калия и фтора обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ, а также обеспечивают проведение импульса по нервному волокну. Кальций и фосфор участвуют в образовании костной ткани, кроме того, кальций - это один из факторов, который влияет на процесс свертывания крови. Железо входит в состав гемоглобина. Магний в клетках зеленых растений - это компонент хлорофилла. В животных клетках магний находится в составе ряда ферментов. Остальные элементы содержаться в организме в очень малых количествах: в общей сложности до 0,02%. Например, цинк входит в состав инсулина, который регулирует углеводный обмен в организме. Йод является компонентов терраксина, который регулирует интенсивность обмена веществ и влияет на рост организма в процессе развития.

Примерный химический состав клетки бактерии и клетки млекопитающих.

Химические соединения	Доля в % от массы клетки
	Бактерия	Млекопитающие
Вода
Неорганические ионы: Na, Ca, Cl и т.д.
Низко-молекулярные продукты обмена веществ
Белки
РНК		1,1
ДНК		0,25
Липиды
Полисахариды
Общий объем клетки	2х10^-19 см^2	4x10^-9 см^2

Самое основное неорганическое соединение в живых организмах - это вода. Её содержание в различных клетках колеблется в широких переделах. В клетках эмали зубов воды около 10%, а в клетках развивающегося зародыша - 90%, в медузе 98%. Важная роль воды обусловлена её химической природой. Вода, имеющая дипольный характер, может вступать в реакцию с различными веществами. Вода является хорошим растворителем для многочисленных органических и неорганических веществ. Большинство химических реакция в организме происходит между растворенными в воде веществами. Проникновение вещества в клетку или выведение из неё продуктов жизнедеятельности возможно только в растворенном виде. Не менее важна и химическая роль воды (как реагент). Она, например, участвует в реакциях гидролиза. Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью, поэтому температура внутри клетки белее устойчива, чем в окружающей среде.

Минеральные соли (неогранические)

Подавляющая часть неорганических веществ в клетке находится в виде солей либо дислоцированных на ионы, либо в твердом виде. Ионы натрия, кальция и калия обеспечивают такое важное свойство как раздражимость. Ионы кальция входят в состав межклеточного вещества, которое обуславливает сцепление клеток и упорядоченное расположение ткани. Содержание ионов в клетке и в окружающей их среде - это регулируемый процесс. Например, в цитоплазме клеток много ионов калия и мало ионов натрия, а во внеклеточной среде наоборот (в плазме крови). Пока клетка жива, это соотношение строго поддерживается, а после смерти содержание ионов в клетке и во внеклеточной среде быстро выравнивается.

Органические соединения. В среднем составляют 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биополимеры: белки, аминокислоты; жиры, а также небольшие молекулы (гормоны, пигменты, АТФ и т.д.) В разные типы клеток входит разное количество тех или иных органических соединений.Например: в растительных клетках преобладают сложные углеводы (полисахариды), а в животных - белков и жиров. Тем не менее каждая группа органических веществ в клетке выполняет сходные функции.

Углеводы. В клетках животных они содержатся в небольшом количестве, растительные клетки богаты углеводами (от массы сухого вещества ~70%). Простые углеводы (моносахариды) представляют собой многотомные спирты с нормальной цепью и с разным количеством атомов углерода в цепи. Фруктоза и глюкоза - моносахариды. Все моносахориды бесцветные вещества хорошо растворимые в воде. Глюкоза - единственный моносахарид, который содержится в нашем организме. Все другие потребляемые нам углеводы превращаются в печени в глюкозу. Она является абсолютно необходимой частью крови. В норме её содержание в крови и тканях млекопитающих составляет около 0,1% массы. Небольшое увеличение содержания глюкозы не причиняет особого вреда, а уменьшение содержания повышает возбудимость клеток головного мозга. в результате импульсов, которые получают от этих клеток мышцы могут вызвать судороги, потерю сонная и смерть. Содержание глюкозы поддерживается очень сложным механизмом. При связывании двух молекул моносахаридов образуются дисахариды.

Полисахарид образованы несколькими молекулами моносахаридов. К важнейшим полисахаридам относится крахмал, гликоген и глюкоза.

Крахмал - это неоднородное вещество, а смесь содержащихся в растениях полисахаридов. Крахмалы являются основной формой пищи, которую растения запасают в семенах и клубнях. Значительные количества крахмала содержаться в пшенице, кукурузе. Ферменты, которые имеются в пищеварительном тракте человека, катализируют крахмал глюкозу.

Гликоген - крахмалоподобное вещество, которое синтезируется в организме. Он играет в организме роль энергетического резерва, накапливается в мышцах и печени. В мышцах он служит экстренным источником энергии,а в печени формой накопления глюкозы.

Целлюлоза является главным строительным материалом растений. Древесина на 50% состоит из целлюлозы, а хлопчато-бумажные нити представляют собой почти чистую целлюлозы. В отличие от крахмала, целлюлоза не переваривается организме. Бактерия, которая вырабатывает ферменты гидролизирующие целлюлозу, присутствует в организме жвачных животных.

Белки - это макромолекулы, которые присутствуют во всех живых клетках. Они служат важнейшим строительным материалом клеток животных. К белкам относятся ферменты, которые являются катализаторами всех биохимических реакция. Также, они осуществляют перенос жизненно-важных веществ в организме, например, гемоглобин. К белкам также относятся антитела.

Функции белка:

· Строительная

· Каталитические

· Двигательная

· Транспортная

· Энергетическая

· Защитная

Простые белки (протеины) состоят только из аминокислот. В состав сложных белков входят и другие соединения.

Самые разнообразные белки в нашем организме построены всего лишь из 22 аминокислот. Человеческий ограни способен синтезировать не все аминокислоты, те, которые не могут синтезировать в организме, должны поступать с пищей - это незаменимые аминокислоты. Количество аминокислот в белке зависит от его происхождения и функции. Аминокислоты образуют белок результате пептидный связи.

Расположение или последовательность аминокислот вдоль белковой цепи определяет первичную структуру белка. Замена хотя бы одной аминокислоты в белке может привести к изменению его биохимических свойств. Например: такое генетическое заболевание как серповидно-клеточная анемия - в молекуле гемоглобина, которая содержит 146 аминокислот, только одна шестая по счету аминокислота изменена.

Чаще всего полипептидная цепь полностью или частично закручена в спираль. Общая форма белка, которая определяется всеми изгибами, называется тритичной структурой белка. Иногда для белка характерна четвертичная структура, например, гемоглобин. При нагревании белков выше температуры, которая свойственно живым организмам, либо при помещении их в неблагоприятные условия (в кислую или щелочную среду), белки постепенно утрачивают свою структуру, биологическую активность. Этот процесс может быть обратимым, если протекает в мягких условиях. Одна из наиболее важных групп белков - это ферменты. Являются катализаторами всех биохимических процессов в организме. Фермент может состоять из одной белковой цепи или из нескольких. Ферменты теряют активность в результате умеренного нагревания. Температура 50-60 градусов быстро инактивирует ферменты, это необратимо. Этим объясняется тот факт, что непродолжительное воздействие температуры убивает большинство живых организмов. Ферменты не инактивируются замораживанием. При низких температурах реакции протекают медленно или не протекает вовсе, пропившими температуры активность восстанавливается.

 

Я лекция

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ.

1. Отличие живого от неживого.
1) В состав живого обязательно входят биополимеры, к ним относятся белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК);
2) Живое отличается клеточным строением;
3)Живое характеризуется воспроизводством самих себя;
4)Наличие обмена веществ и регуляция своего состава и функций;
5)Способность к росту и развитию;
6)Способность к движению;
7)Раздражимость;
8)Приспособленность к среде;
9)Активность.

Четкой грани между живым и неживым нет, так как есть переходные формы, например, вирусы. Вне чужих клеток они не обладают свойствами живого. Однако, проникая в клетки хозяина, они способны расти, размножаться, при этом используя его ферментную систему.

 

Теории:
К началу 20ого века из всех многочисленных научных теорий возникновения жизни осталось две:

1) Внеземное происхождение жизни;
2) Происхождение жизни в результате процессов, которые подчиняются физическим и химическим законам. У последней названной концепции имеются 2 пути развития. Согласно одному, происхождение жизни — это результат случайного образования единичной живой молекулы, в строении которой был заложен весь механизм дальнейшего развития жизни.

Согласно другому механизму, происхождение жизни — это результат закономерной эволюции материи. Основополагающей является модель Опарина, что возникновении жизни — результат длительной эволюции, сначала химической, а затем биохимической.
Для жизни требуется прежде всего углерод. Атомы углерода вырабатываются в необходимом для жизни количестве в недрах больших звезд. Помимо углерода, требуется кислород, водород и азот.
По научным данным, органические вещества абиогенного происхождения возникали не только до появления жизни, но и до формирования нашей планеты. Возраст Земли около 5 млрд лет. В начальный период температура Земли была 4-8 тысяч градусов Цельсия. По мере остывания из тугоплавких металлов образовалась земная кора, соответственно появилась первичная атмосфера.
Первичная атмосфера состояла из соединений углерода, водорода и азота (в основном СН4 и NH3). Кислород в атмосфере практически отсутствовал.

Органические вещества могли образоваться в соответствии с тремя механизмами:
1) образовываться в расплавленных глубинах Земли, а далее выноситься на поверхность и в океан в результате вулканической деятельности;
2) образовываться в океане из более простых молекул;
3) образовываться во Вселенной из неорганического сылья.

 

Согласно теории Опарина, из первичного бульона, состоящего из углеродистых соединений, могли образоваться белки и нуклеиновые кислоты. Экспериментально доказано, что аминокислоты могут быть получены при пропускании электрических разрядов через смесь газов, которые составляли первичную атмосферу.
Переход от сложных органических соединений к простым организмам до сих пор не ясен. И самое трудное — это объяснить способность живых организмов к самопроизводству.
Следующая ступень — образование клеточных мембран, которые разделяют окружающую среду и смесь органических веществ клетки без ядра (прокариоты), но имеющие нить ДНК, напоминают бактерии или сине-зеленые водоросли. Возраст самых древних около 3ёх млрд лет.
Одноклеточные организмы с ядром (эукариоты) появились около 2ух млрд лет назад. Простейших около 30и тысяч видов, самые простые — амебы. Около 1го млрд лет назад появились первые многоклеточные, появилась животная и растительная жизнь.
Фотосинтез растений привел к образованию кислородной атмосферы.

К важнейшим признакам живых систем относятся:

1) компактность (в оплодотворенной яйцеклетке заключена информация для подавляющего большинства признаков животного);
2) способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекулы3) обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией живое ассимилирует, получая извне вещества и создает из них собственные материальные структуры
4) наличие обратной связи. Для создания новых структур необходима положительная обратная связь, а для устойчивых существовала необходимая отрицательная обратная связь.

Если в организме присутствует данное вещество, то оно не будет образовываться.

5)жизнь качественно превосходит другие формы существования материи по сложности и многообразию химических компонентов. Живые системы характеризуются более высокой упорядоченностью
6) в самореализации неживых систем молекулы просты, а механизмы функций сложны. В самоорганизации живых наоборот: молекулы сложны, а механизмы просты.
7) у живых систем есть прошлое, у неживых его нет. То есть живые — системно-нестатические образования.
8) жизнь организма зависит от двух факторов: наследственность и изменчивость. Жизнь все время находится в процессе эволюции.
9) способность к избыточному самопроизводству, результатом чего является естественный отбор.

 

Учение о клетке.

Простейшие бактерии, многие грибы и водоросли представляют собой отдельно существующие друг от друга клетки. Тела всех многоклеточных организмов построены из большего или меньшего числа клеток. Но несмотря на тот факт, является ли клетка целостной живой системой или только ее частью, она имеет набор признаков и свойств, общих для всех клеток.
В состав клетки входит около 70ти химических элементов. Если в земной коре наиболее распространены кислород, кремний, алюминий и железо, то в живых организмах 98 процентов масса составляют кислород, углерод, азот и водород. Кроме этих основных элементов в клетке в заметных количествах содержатся натрий, калий, кальций, хлор, фосфор, сера, магний и железо. Каждый из них выполняет важную роль в клетке. Например, ионы натрия+, калия+ и хлора- обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ, а также участвуют в проведении импульса по нервному волокну.кальций и фосфор участвуют в формировании костной ткани. Кроме этого кальций — один из факторов, который влияет на свертываемость крови. Железо входит в состав гемоглобина (белок красных кровяных телец, который переносит кислород), магний в клетках зеленых растений является компонентом хлорофилла (пигмент, который участвует в фотосинтезе). В клетках животных магний находится в составе ряда ферментов. Остальные элементы, например, цинк, медь, йод, фтор и другие, содержатся в живых организмах в очень малых количествах (в общей сложности 0,02%). Они встречаются в основном в специализированных клетках. Главным образом участвуют в образовании биологически активных веществ. Йод — компонент гормона щитовидной железы тироксина — регулирует интенсивность обмена веществ и рост организма; цинк — входит в состав инсулина (поджелудочная железа) — регулирует углеродный обмен.

Примерный состав клетки бактерии и клетки млекопитающего.
Самое распространенное неорганическое соединение — это вода. Ее содержание в клетках разного типа колеблется в широких пределах. В клетках эмали зубов воды около 10%, а в клетках развивающегося зародыша — более 90. В теле медузы воды до 98%, но в среднем в многоклеточном организме вода составляет ~70% массы тела. Роль воды — чрезвычайно важна в организме — обусловлена ее химической природой. Дипольный характер воды объясняет способность воды активно вступать в реакцию с разными веществами.
Вода является хорошим растворителем для большого количества органических и неорганических веществ. Это принципиально важно, так как большинство химических реакций в клетке происходят в растворенном в воде виде. Проникновение вещества в клетку, а также выведение из клетки продуктов жизнедеятельности также возможно только в растворенном виде.
Тем не менее есть и другая чрезвычайная роль воды — чисто химическая. Она участвует в реакциях гидролиза (молекулы воды присоединяются к различным веществам). Она обладает большой теплоемкостью и хорошей теплопроводностью, и поэтому температура у организма более устойчива, чем в окружающей среде.

Минеральные соли.
Подавляющая часть неорганических веществ клетки находятся в виде солей. Они либо диссоциированы на ионы, либо в твердом состоянии. Среди ионов наибольшее значение имеют ионы Ca+, Na+, K+2, которые обеспечивают такое чрезвычайно важное свойство живых организмов, как раздражимость. В тканях многоклеточных животных К+2 входит в состав межклеточного вещества, которое обеспечивает сцепление клеток между собой, их упорядоченное расположение в тканях.
Содержание ионов в клетке и в окружающей среде — это регулируемый процесс. Например, в цитоплазме клеток Са+ и очень мало Na+. Во внеклеточной среде (в плазме крови, межклеточной жидкости) наоборот — много Na+ и мало Са+. Пока клетка жива это соотношение внутри клетки и в окружающей среде строго поддерживается. А вот после смерти клетки содержание ионов быстро уравнивается.
Нерастворимый минеральные соли обеспечивают прочность костных тканей. Для раковины моллюсков — другой состав.

Органические соединения.
Составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы), жиры и ряд небольших молекул, а именно гормонов, пигментов, аминокислот, АТФ и т. д.
В различные типы клеток входит неодинаковое количество тех или иных органических веществ. Например, в растительных клетках преобладают сложные углеводы (полисахариды), а в животных клетках больше белков и жиров. Тем не не менее каждая группа органических систем в любом типе клеток выполняет сходные функции.

Я лекция

С 23 ноября по 11 декабря в Париже проходит конференция климату. Это 21 конференция, проводимая в рамках "Рамочная конвенция ООН об изменениях климата" и одиннадцатая в рамках совещания сторон по Киотскому протоколу.
Рамочная конвенция -соглашение об ограничении выбросов, которое было подписано более 180 странами мира, включая все страны бывшего ссср и все промышленно развитые страны. Эта конвенция была принята в 1992 году в Рио на "Самите Земли" и вступила эта конвенция в силу в 1994 году.
Киотский протокол-международное соглашение, которое было принято в 1997 году в Киото(Япония). Это соглашение обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить и стабилизовать выбросы парниковых газов. Киотский протокол-это первое глобальное соглашение об охране окружающей среды, которое основано на рыночном механизме регулирования.
Рыночный механизм регулирования-механизм международной торговли квотами на выбросы парниковых газов.
Первый период реализации этого протокола длился 5 лет. С 2008 по 2012 год. Цель: снизить на 5,2% совокупный средний уровень газа: углекислый газ, метан, веселящий газ, фтор-углероды, фтор-углеводороды. Задача была по сравнению с 1990 годом.
Основные обязательства по Киотскому протоколу взяли на себя разные страны: Евросоюз, Япония, Канада, страны Восточной Европы и Прибалтика, Россия и Украина. А вот Китай и Индия на себя обязательства не взяли.
В 2009 году Киотский протокол был ратифицирован 192 странами. США протокол подписали, но не ратифицировали, а Канада вообще вышла из протокола.
Не подписали протокол Афганистан, Андорра, Ватикан, западная Сахара. Экспертная группа по вопросам изменения климата в 2014 году сделала прогноз о повышении к 2100 году температуры от 0,3 до 4,8%.
Подписать обязательные к исполнению соглашения, которое позволяло бы эффективно бороться с изменениями климата и перейти к технологиям, которые потребляются мало углерода. И в соответствии с этим каждая страна должна сделать свой вклад в снижение выбросов парниковых газов.
К основным парниковых ГАЗам принято относить СО2, озон, водяной пар.
Эти рады поглощают и излучают в том же инфракрасном диапазоне, как и поверхность земли, атмосфера и облака-это длинноволновое излучение.
Содержание углекислого газа в атмосфере составляет 379 тысяч частей на миллиард-это 0,0379%
Азот-78%
Кислород-21%
Инертные газы-оставшиеся проценты
Углекислый газ-парниковых газ. Источник-сжигание топлива органического происхождения. Углекислый газ-неотъемлемая важная часть атмосферы, так как является участником процесса фотосинтеза-накопление органического вещества(крахмала)

6CO2+ 6H2O=6O2+C6H12O6

Со2 излишне накапливается в атмосфере

МЕТАН СН4 Образуется естественным путём при помощи метан-продуцирующих бактерий.

N2O (веселящий газ) Выделяется нитратом аммония, который широко используется как удобрение

Главный вклад в парниковый эффект вносит водяной пар-влажность воздуха.Она, влажность, существенно зависит от приповерхностный температуры.
Увеличение суммарной концентрации парниковых газов в атмосфере должно привести к увеличению влажности => провоцирует парниковый эффект, который опять приводит к повышению приповерхностный температуры.
Главная цель-снижение других парниковых газов.
Хлорфторуглероды воздействуют на озоновый слой.
Озон О3
Механизм образования озона- механизм Чепмена.
Началом этого механизма является фото-диссоциация кислорода.

О2+НN=2O

Длина волны(лямбда)- около 242 нанометра-жёсткий ультрафиолет

О2+О=О3

0+0=02

Реакции экзотермические +Q

Высота озонового слоя-от 12 до 50 км над поверхностью земли, Но содержание озона очень маленькое.
Уменьшение содержания охран приводит к образованию озоновых дыр. Жёсткий ультрафиолет не совместим с жизнью, провоцирует рак кожи, ожоги глаз, уничтожает растительность.
ЖУ даёт кварцевая лампа.
Эта проблема сохранения озонового слоя является проблемой международного масштаба.
В 1980 году был подписан Монреальский протокол по веществам, разрешающих озоновый слой
В настоящее время участниками этого протокола являются все государства-члены ООН.
В 1995 году была присуждена Нобелевская премия "За работа по атмосферной химии, особенно в части процессов образования и разрушения озонового слоя" авторы-сотрудники Калифорнийского Универа Роулин и Моулина, а также голландец Крутцен
Роулин и Молина пояснили функции ХФУ.
Реакции являются нереакционно способными. Поднимаются наверх и подвергаются воздействию жестокого ультрафиолетового излучения, который вырывает из молекулы атом хлора, и атом хлора начинает взаимодействовать с озоном.
Хлор является катализатором реакции разрушения озонового слоя. Может разрушить до 100 тысяч молекул озона.

NO+ O3= NO2+O2

NO2+O2= NO2+O2

________________________

O3+O=2O2

Впадение кислотных дождей

Глобальные загрязнители атмосферы(тропосферы):
Оксиды серы
Оксиды азота
Оксиды углерода
Оксиды углеводорода
Пыль

Две категории выбросов:
Оксиды серы
Оксиды азота

Оксиды азота образуют азотную кислоту

Состав кислотных дождей:

60% серная кислота
35% азотной кислоты
5% на все другие кислоты

Оксиды серы и азота выбрасываются автомобилями, электростанциями и металлургическими заводами. Принятое значение PH для кислотных остатков 5.6. Если перейти на природный газ, который не содержит серы, то можно полностью исключить выбросы оксида серы.Что касается выброса оксида азота, то основные источники поступления-теплоэнергетика и автотранспорт.

Воздействие кислотных дождей на окружающую среду
Воздействие на человека исключительно негативное
В районах с повышенным содержанием азота приводит к повышенной смертности
Закисляются почвы и водоемы
В водоёмах не существует рыбы
Коррозия металлов
Влияет на архитектурные сооружения, мрамор превращается в гипс и рушится.