Рубин А.Б. Современные методы биофизических исследований (Практикум по биофизике)

Подождите немного. Документ загружается.

много обеспечения. В процессе обработки на экране графического

дисплея одновременно изображаются разными цветами складывае-

мые спектры,

результат

сложения и экспериментальный спектр.

Такая графическая визуальность процесса обработки

дает

исследо-

вателю

возможность оперативно корректировать значения весо-

вых вкладов при сложении спектров, что значительно сокращает

время работы. На экран дисплея выводится также среднеквадратич-

ная

ошибка отклонения модельного спектра от эксперименталь-

ного.

Возможность архивизации на магнитном диске эксперимен-

тальных данных и

результатов

обработки позволяет комплексно

загружать

экспериментальное оборудование и планировать различ-

ные этапы исследования.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Метод

мёссбауэровской фурье-спектроскопии

в молекулярной динамике биополимеров

Экспериментальное изучение конформационной подвижности

биополимеров

и ее

связи

функциональной активностью получает

все большее развитие

советских

зарубежных научных центрах.

Мёссбауэровская спектроскопия

дает

принципиальную возможность

определить временную зависимость корреляционной функции

Ван

Хова путем фурье-преобразования спектральной функции

(см.

1.3.3).

Эта

проблема решается путем применения

уравнению

(VI

1.3.3)

методов, разработанных

для

решения некорректных задач

(А.

Н.

Тихонов). Получаемая

при

этом зависимость среднего квад-

ратичного смещения атомов

от

времени имеет

статус

эксперименталь-

ной,

метод

ее

определения

по

сути

следует

охарактеризовать

как

мёссбауэровскую фурье-спектроскопию

(С. К.

Басовец,

И. В. Упо-

ров,

К. В.

Шайтан).

рамках этого метода получаемый корреля-

тор

ф (t)

дает

наглядное представление

динамике системы,

не свя-

занное

изначальным выбором какой-либо модели.

Непосредственно работая

экспериментальным спектром,

по-

лучаем уравнение

(VI 1.3.3) в

виде:

N (оо)

—

(й) = — Г

(/)

е~

cosc^

Ш,

(Пр.1)

л J

где

k —

номер канала,

k£ [ — k

, k

-- /гЛш; Лео —

расстоя-

ние

по

частотам

между

каналами;

—

граничный номер канала;

(оо) —

значение фона;

N (k) —

набор

в k-м

канале;

с —

нормиро-

вочная константа.

идеальном

случае

тонкого поглотителя

= 2Г

(Практически

определяют

как

ширину линий низко-

температурных спектров

7*<150

К)

В соответствии

методами решения некорректных задач, первым

шагом

при

определении

ф (t)

является нахождение

оператора

регу-

ляризации

(или

физически оправданной процедуры),

помощью

которого генерируются пробные функции

ф (t).

352

Пробные

функции е~

г//2

ц>

(/) ищут в виде ряда с фиксирован-

ным

набором

{Р,:}:

£ (PI

R(t) =2 S, exp ——

Правомерность такой постановки задачи вытекает из теоремы Мюн-

ца: если ряд 2^'

1 — расходится, то ряд

**"'

— сходится к лю-

бой наперед заданной функции из класса непрерывных функций при

надлежащем выборе коэффициентов a

. (В нашем

случае

х = ехр {— jTt}). При подстановке (Пр.2) в (Пр.1) правая часть

распадается на N лоренцевых линий, имеющих площади {Sj} и ши-

рины

{Я,Г}.

Набор {Si} и величина N (оо) далее легко находят

с помощью методов линейной регрессии. В результате получаем

алгоритм, позволяющий на базе экспериментальной функции N (k)

найти

близкое к

е~

Г1

<р (t) приближение в виде ряда R (t).

Ограниченность и дискретность области определения N (k),

а также погрешность в определении W (оо) приводят к тому, что до-

стоверная информация о поведении <р (/) может быть получена лишь

пределах временного отрезка \(-j k

Aco)"

, (2

Aw)""

Оптимальный набор {P

} определяют в два этапа. Сначала вы-

бирают {P

}, приводящие для g(k) к значению x

i близкому единице

— С — TTi—\п /£(*))• (Условию х = 1

удовлет-

воряет истинная спектральная функция в силу того, что стандарт-

ное отклонение набора в канале равно корню квадратному из

набора.)

Условия х

« 1 достигают путем подбора соответствующего ко-

личества членов ряда

(Пр.2).

При этом учитывают, что добавление

экспонент

с^Г >2

Асо

практически не

ведет

к изменению х

Более того, исследование параметра R (0), равного площади под

модельным спектром, показало, что отклонение /?(0) от <р (0) возрас-

тает, если ряд {Я,Т} выходит за пределы области, ограниченной

сверху

величиной 2 £

Дсо.

Среди различных рядов {Pi}, приводящих к спектрам сх

« 1,

оптимальный выбирается исходя из требований максимальной глад-

кости R (t), что практически осуществляется путем минимизации

стабилизирующего функционала:

(К)

j [a

(-Mу

ыр]

(Пр.З)

где а, Ь — константы.

353

В рамках данной задачи используем полученное на этой основе

соотношение:

Можно показать, что наиболее подходящим является показательный

ряд {P

} с основанием 2:

{Р,} = {1 +12''-*}, I = 1, 2, .... N, (Пр.4)

где М — параметр, позволяющий увеличивать число членов ряда

при

сохранении условия 2

Г < 2 k

До>.

Специально проведенные исследования показывают, что относи-

тельная ошибка при определении <р (/) в рамках данного метода не

превышает относительную ошибку при определении g (со). Мёс-

сбауэровская фурье-спектроскопия позволяет значительно расши-

рить временные характеристики метода и регистрировать динамику

интервале от 100 пс до— 1 мкс. На кафедре биофизики Биологи-

ческого факультета МГУ разработан совместно с ИХФ АН

СССР

комплекс программ, с помощью которого реализован фурье-анализ

мёссбауэровских спектров.

На

кафедре биофизики Биологического факультета Московского

государственного университета им. М. В. Ломоносова имеются прог-

раммы с подробным описанием для ЭВМ.

1. Программа решения системы дифференциальных уравнений

методом Рунге — Кутта.

2. Программа идентификации параметров системы дифференци-

альных уравнений методом

Хука

— Дживса.

3. Программа OPTIMA.

4. Программа разложения спектров КД.

5. Программа предсказания вторичной

структуры

белка.

Эти программы используются в практике для обучения студен-

тов и

могут

быть предоставлены для использования в учебном про-

цессе.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ

ЛИТЕРАТУРА

главам I, II

Гуринович

Г. П.,

Севченко

А. Н.,

Соловьев

К. Н.

Спектроскопия хлоро-

филла

родственных соединений. Минск,

1968.

Калверт

Дж.,

Питтс

Дж..

Фотохимия.

М., 1968.

Паркер

С.

Фотолюминесценция растворов.

М., 1972.

Современные

методы исследования фотобиологических процессов/

Под

ред.

А. Б.

Рубина.

М., 1974.

Кантор

Ч.,

Шиммел

П.

Биофизическая химия.

М., 1984. Т.2.

Клейтон

Р.

Фотосинтез. Физические механизмы

химические модели.

М.,

1984.

главе

III

Сверхкороткие

световые импульсы/Под

ред. С.

Шапиро.

М., 1981.

Пискарскас

А. С,

Ротомскис

Р. И.

Лазеры сверхкоротких световых

им-

пульсов

спектроскопии фотосинтеза//Итоги науки

техники.

Сер. Био-

физика.

М., 1986. Т. 19.

С.

173—239.

Спектроскопия

комбинационного рассеяния света

газах

жидкостях/

Под

ред. А.

Вебера.

М., 1982.

Соловьев

К. #..

Глазков

Л. Д.,

Старухин

А. С,

Шкирман

С. Ф.

Спект-

роскопия

порфиринов: колебательные состояния. Минск,

1985.

главе IV

Пёрвис

Р.

Микроэлектродные методы внутриклеточной регистрации

ионофореза.

М., 1983.

Приборы

методы

для

микроэлектродного исследования клеток/Под

ред.

Б.

Н.

Вепринцева

и И. В.

Крастса. Пущино,

1975.

Биофизика: практикум

/Под ред. П. Г.

Богача. Киев,

1983.

Камман

К-

Работа

ионселективными электродами.

М., 1980.

Регистрация

одиночных каналов/Под

ред. Б.

Сакмана,

Э.

Неера.

М., 1987.

главе V

Привалов

П. Л.

Калориметрические исследования растворов биополи-

меров

Итоги науки

техники.

Сер.

Молекулярная биология.

М., 1975.

Т.

6. С.

7—33.

главе VI

Адамсон

А.

Физическая химия поверхностей.

М., 1979.

Богуславский

Л. И.

Биоэлектрохимические явления

на

границе раздела

фаз.

М., 1978.

Некое

В. Г.,

Берестовский

Г. Н.

Динамическая структура липидного

бислоя.

М., 1981.

355

главе VII

Блюменфельд

Л. А.,

Воеводский

В. В.,

Семенов

А. Г.

Применение элект-

ронного парамагнитного резонанса

химии. Новосибирск,

1962.

Верти,

Дж.,

Болтон

Дж.

Теория

практические приложения метода

ЭПР.

М., 1975.

Ингрэм

Д.

Электронный парамагнитный резонанс

биологии.

М., 1972.

Лихтенштейн

Г. И.

Метод спиновых меток

молекулярной биологии.

М.,

1974.

Свободные

радикалы

биологии

/Под ред. У.

Прайора.

М., 1979. Т. 1,2.

Лундин

А. Г.,

Федин

Э. И.

Ядерный магнитный резонанс. Основы

применение. Новосибирск,

1980.

Гюнтер

Введение

курс спектроскопии ЯМР.

М., 1984.

Вертхейм

Г.

Эффект Мёссбауэра. Принципы

применения.

М., 1966.

Гольданский

В. Д.

Эффект Мёссбауэра

и его

применение

химии.

М.,

1963.

Шпинель

В. С.

Резонанс

у-лучей

кристаллах.

М., 1969.

Шайтан

К. В.,

Рубин

А. Б.

Конформацнонная подвижность

теория

эффекта

Мёссбауэра

биологических системах

Молекулярная биология.

1980.

Т. 14. № 6. С.

1323—1335.

Карманов

В. Г.

Математическое программирование.

М., 1980.

главе

VIII

Рубин

А. Б.,

Пытьева

Н. Ф.,

Риэниченко

Г. Ю.

Кинетика биологиче-

ских процессов.

М., 1987.

Свирежев

Ю. М.,

Логофет

Д. О.

Устойчивость биологических сооб-

ществ.

М., 1978.

Рубин

А. Б.,

Шинкарев

В. П.

Транспорт электронов

биологических

си-

стемах.

М., 1984.

Химмельблау

Д.

Прикладное нелинейное программирование.

М., 1976.

главе IX

Вер

хоту

ров

В. Н.,

Рубин

А. Б.

Автоматизация биофизических исследо-

ваний.

М., 1987.

Глушков

В. М.

Основы безбумажной информатики.

М., 1982.

Египко

Е. М.,

Аракелян

В. В.,

Саркисянц

Л. С.

Автоматизация микро-

биологических экспериментов. Киев,

1985.

Ланцош

К.

Практические методы прикладного анализа

М., 1961.

Мясников

В. А.,

Майоров

С. А.,

Новиков

Г. И. ЭВМ для

всех.

М., 1980.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Предисловие

Введение

Глава

Спектральные

методы исследования стационарных свойств

биологических систем 6

1. Основы метода абсорбционной спектроскопии 8

2. Повышение разрешающей способности при измерении спект-

ров поглощения и необходимый предел разрешения ... 13

3. Основные

принципы

производной спектрофотометрии и мето-

ды измерения производных спектров 15

Методы

поляризационной абсорбционной спектрофотомет-

рии 20

Метод

линейного дихроизма 24

Методы

кругового

дихроизма и дисперсии оптического вра-

щения 29

7. Флуоресцентная спектроскопия. Общие закономерности,

лежащие

в основе флуоресцентной спектроскопии . . . 37

Методы

измерения спектров флуоресценции и возбуждения 44

Методы

измерения квантовых выходов флуоресценции . . 51

10. Поляризация флуоресценции и методы ее измерения ... 54

II. Фосфоресценция и методы ее измерения 68

Глава

//. Динамические спектральные методы исследования биологи-

ческих систем 75

1. Общие

принципы

дифференциальной абсорбционной спектро-

фотометрии 76

Метод

однолучевой дифференциальной абсорбционной

спектроскопии 78

Метод

двухлучевой и двухволновой дифференциальной

абсорбционной спектрофотометрии 81

4. Общая характеристика метода

импульсной

спектроскопии 86

Методы

поляризационной дифференциальной абсорбционной

спектрофотометрии (фотоселекция, спектры фотоиндуциро-

ванных

изменений линейного и

кругового

дихроизма) 88

Метод

температурного скачка при измерениях фотоинду-

цированных

изменений поглощения 97

Методы

динамической спектрофлуорометрии 98

Методы

измерения замедленной флуоресценции 105

Глава

III. Лазерная спектроскопия 111

1. Основы метода

импульсной

флуорометрии 114

Метод

пикосекунднон абсорбционной спектроскопии . . .117

3. Способ селекции лазерных

импульсов

по длительности . . 119

357

4. Пикосекундный

импульсный

флуорометр 122

5. Пикосекундный абсорбционный спектрометр 131

6. Абсорбционный спектрометр наномиллисекундного времен-

ного диапазона 136

7. Спектрометр комбинационного рассеяния 138

Глава

IV.

Методы

изучения ионной проницаемости биологических

мембран 144

1. Микроэлектродные методы 144

2. Свойства микроэлектродов 148

3. Усилители биопотенциалов 152

4. Электрическая стимуляция клеток и измерение мембранной

проводимости 157

5. Ионные токи возбудимых мембран 165

6. Техника стабилизации мембранного потенциала 171

7. Применение метода фиксации напряжения 176

8. Ионные каналы в плоском липидном бислое 185

9. Измерение токов ионных каналов методом микроотведения 190

10.

Метод

внутриклеточного диализа 198

Глава

V. Калориметрические методы исследования биополимеров и

мембранных систем 203

Метод

реакционной

ИЛИ

изотермической микрокалориметрии 205

2. Дифференциальная сканирующая микрокалориметрия . . 207

3. Дифференциальные адиабатные сканирующие микрока-

лориметры 210

4. Калориметрические измерения 211

Глава

VI.

Монослои

липидов на

границе

раздела воздух — вода . 217

1. Методика измерения поверхностного натяжения с использо-

ванием пластинки Вильгельми 218

2. Исследование свойств липидных монослоев методом изотерм 220

3. Анализ и интерпретация форм изотерм 222

4. Прикладное значение метода монослоев 223

Глава

VII.

Методы

радиоспектроскопии 226

Метод

электронного парамагнитного резонанса 226

2. Ядерный

магнитный

резонанс 258

3. Исследование биологических объектов методами гамма-

резонансной спектроскопии 269

4. Обработка мёссбауэровских спектров на ЭВМ 279

Глава

VIII. Математическое моделирование

(

283

I. Общие

принципы

построения моделей биологических явле-

ний 283

Рост

биологической популяции в условиях ограниченности

ресурсов.

Непрерывное и дискретное описание 287

Модель

переноса электрона в фотосинтетической электрон-

транспортной цепи. Выяснение типа взаимодействия пере-

носчиков 295

4. Идентификация математических моделей биологических

процессов

302

Глава

IX. Автоматизация биофизических исследований 308

1. Общие вопросы 308

2. Алгоритмические модели биофизического исследования 309

358

3. Типовая система автоматизации биофизического экспери-

мента 314

4. Программно-технический комплекс ЭПР-спектроскопии . . 323

5. Порядок работы на программно-техническом комплексе

ЭПР-спектроскопии

330

6. Анализ информации в автоматизированных системах биофи-

зического эксперимента 336

Приложение

352

Рекомендуемая

литература

355

Учебное

издание

Александр Александрович Булычев,

Виктор

Николаевич Верхотуров,

Борис

Алексеевич Гуляев

и др.

Современные методы биофизических исследований.

Практикум

по

биофизике

Заведующий редакцией А. Г.

Гаврилов

Научный редактор Ю. А. Русанов

Редактор

А. С. Орлова

Младшие

редакторы И. М. Павлова, Е. И. Попова

Художественный редактор Т. А. Коленкова

Художник Ю. Д. Федичкнн

Технический редактор Л. А. Муравьева

Корректор Г. И. Кострикова

ИБ

№ 7160

Изд.

Е-541.

Сдано

набор

17.08.87.

Подп.

печать

10.02.88.

Т-05073.

Формат

6ОХ88'/ц.

Бум.

офсетная

№ 1.

Гарнитура литературная. Печать офсетная.

Ооъем

22.05

усл. печ.

л.+0.25

усл. печ. л.

форзац

22,54

усл.

кр.-отт.

23,46

уч.-изд.

л.+

+0,44

уч. изд. л.

форзац. Тираж

000

экз. Зак. J*

583.

Цена

I р. 20 к.

Издательство

«Высшая школа»,

101430,

Москва,

ГСП-4.

Неглинная

ул., д.

29/14.

Московская

типография

№ 4

Союзполнграфпрома

при Государственном комитете СССР

по

делам издательств, полиграфии

книжной торговли

129041.

Москва,

Б.

Переяславская,