|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
БИОФИЗИКА ПОВЕРХНОСТИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР учебный курс
- Автор: Хомутов Г.Б.
- Год создания: 1996
- Организация: МГУ имени М.В. Ломоносова
- Описание: 1. Введение. Иерархически организованные интегрированные функциональные системы. Сопряжение размеров функциональных элементов и уровней интеграции. От атомов к молекулам, супрамолекулярным структурам, органеллам, клеткам, органам, организмам, экосистемам и сообществам. Гомогенные и гетерогенные системы. Границы раздела фаз. Биологические структуры как гетерогенные системы. Градиенты потенциала и концентраций. Мембраны. Амфифильные молекулы и принцип независимого поверхностного действия Ленгмюра. Роль амфифильных молекул, полимеров и супрамолекулярных структур в организации и функционировании живых систем. Взаимодействия на границах раздела фаз и их роль в процессах структурообразования и стабилизации гетерогенных систем. Нано- и микроуровень организации материи. Дисперсные системы. Взаимодействия в дисперсных системах. Биоколлоиды.Основные физико-химические свойства, методы исследования, структурная организация и функциональные особенности различных биологических и модельных мембранных, супрамолекулярных структур, и их поверхности. Самоорганизация и самосборка супрамолекулярных структур. Монослойные структуры. Ленгмюровские монослои и мультислойные пленки Ленгмюра-Блоджетт. Мультислойные полиионые комплексы и нанопленочные материалы. Биоминерализация. Наноструктуры, наноматериалы, нанотехнология. Перспективы развития нано-науки и нанотехнологий. Биомиметические функциональные системы. Интегрированные технологии. Наука и инновации. Термодинамика границ раздела фаз. 2. Гомогенные и гетерогенные системы. Понятие поверхности и границы раздела фаз. Термодинамика поверхностей и границ раздела фаз. Поверхностное натяжение. Поверхностное давление. Метод поверхностных избытков Гиббса. Уравнение адсорбции Гиббса. Метод слоя конечной толщины. Условия равновесия системы с границей раздела фаз. Уравнение Юнга-Лапласа. Работа адгезии, работа когезии и их связь с поверхностным натяжением. Эффект Марангони. Зависимость поверхностного натяжения от размеров системы. 3. Методы измерения поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение растворов. Зависимость поверхностного натяжения от температуры. Влияние кривизны поверхности жидкости на равновесное давление пара и растворимость (уравнение Кельвина). Уравнение Юнга. Смачивание. Флотация. Пропитка пористых материалов и порошков. Движение жидкости в капиллярах и капиллярная конденсация. Термодинамика образования новой фазы. Гомогенное и гетерогенное образовании новой фазы (при конденсации, кристаллизации из растворов и расплавов).Термодинамика тонких пленок. Устойчивость тонких пленок. Электростатические свойства поверхности. 4. Межфазные скачки электрического потенциала. Физико-химические причины возникновения электрических зарядов на границах раздела фаз. Идеально поляризующийся и идеально обратимый электроды. Термодинамическое описание электростатических свойств поверхности в рамках подхода Гиббса. Уравнение Липпмана. Связь поверхностного натяжения и поверхностного потенциала. Поверхностный потенциал и форма изотермы сжатия ленгмюровского монослоя. Скачек электрического потенциала на границе раздела жидкая/газообразная фаза. Формула Гельмгольца. Эффекты электрокапиллярности. Электрокинетические явления. Методы исследования электростатических свойств поверхности. Методы молекулярных зондов. 5. Теоретическое моделирование электростатических свойств поверхности. Двойной электрический слой. Уравнение Пуассона-Больцмана. Теория Гуи-Чапмена. Модель на основе Доннановского потенциала. Изоэлектрическая точка. Свободная энергия двойного слоя. Распределение ионов в пространстве водной фазы вблизи заряженной поверхности. Слой Штерна. Неоднородное распределение зарядов на поверхности и эффекты дискретности заряда. Эффекты гидратации. Электростатические характеристики поверхности и взаимодействие мембран и монослоев с одно-, двух- и трехвалентными катионами. 6. Явления и процессы, протекающие на поверхности. Химические процессы на границе раздела фаз. Гетерогенный катализ. Сорбция – адсорбция (на поверхности) и абсорбция (в объеме). Физическая и химическая адсорбция. Феноменологическое описание адсорбции. Уравнение адсорбции Ленгмюра. Адсорбционные пленки. Эффекты, обусловленные поверхностным потенциалом. Примембранные и поверхностные неперемешиваемые водные слои. Структурообразование на границе раздела фаз. Влияние ПАВ на смачивание и другие свойства поверхности (смазочно-охлаждающие жидкости). Эпитаксия. Биоминерализация. Взаимодействие ионов различной валентности с молекулярной поверхностью монослоев и мембран. Особенности взаимодействия катионов щелочноземельных и переходных металлов с молекулярными поверхностями. Комплексообразование на поверхности, конкурентное связывание, замена лигандов и процессы структурообразования. Способы описания связывания ионов. Буферные свойства однородного и гетерогенного растворов. Влияние поверхностного потенциала на буферные свойства поверхности мембраны. 7. Взаимодействия в гетерофазных и мембранных системах. Практические методы получения дисперсных систем. Механические и электрические методы диспергирования. Агрегативная и седиментационная устойчивость. Слияние и агрегация коллоидных частиц. Поверхностные силы и свободная энергия. Силы взаимодействия между двумя плоскими параллельными поверхностями. Расклинивающее давление Дерягина. Природа взаимодействий, обусловливающих силы притяжения и отталкивания поверхностей. Взаимодействия в коллоидных системах. Силы Ван-дер-Ваальса. Теория стабильности коллоидных систем Дерягина-Ландау-Вервея-Овербека. Стабильность и структура коллоидных систем. Золи и гели. Мицеллы, эмульсии, микроэмульсии. Периодические коллоидные системы. Латеральные капиллярные силы. Взаимодействие заряженных частиц на границе раздела фаз. Двумерная самоорганизация на границе раздела фаз и в планарных молекулярных структурах. Роль поверхности в термодинамическом состоянии, структурной организации и взаимодействии мембранных систем. Электропорация. 8. Явления переноса через границу раздела фаз. Транспорт и связывание ионов в гетерогенных водных суспензиях мембранных структур. Трансмембранные градиенты ионов в биологических мембранах. Ионный трансмембранный транспорт. Основные ион-транспортные системы биологических мембран, их структура и локализация в мембране. Влияние поверхностного потенциала на внутримембранный и трансмембранный перенос зарядов (электронный и ионный транспорт). Поверхностные градиенты в неперемешиваемом водном приповерхностном слое. 9. Молекулярные монослои на поверхности водной фазы. История исследования молекулярных монослоев на поверхности водной фазы. Термодинамика молекулярных монослоев на границе раздела фаз. Фазовые и структурные состояния мономолекулярных пленок. Образование поверхностных монослоев путем самопроизвольного растекания твердого (объемного вещества). Стабильность мономолекулярных пленок. 2D-3D переход. Связь термодинамических характеристик монослоев и соответствующих бислойных мембран. Поверхностное натяжение и стабильность бислойных липидных мембран. Экспериментальные методы исследования мономолекулярных пленок на границе раздела газ-жидкость. Изотермы сжатия. Связь поверхностного натяжения и буферной емкости молекулярных монослоев. Взаимодействие катионов металлов с Ленгмюровским монослоем. 10. Строение и основные физико-химические свойства нерастворимых монослоев амфифильных веществ на границе раздела фаз воздух-водная фаза, процессы на границе раздела фаз в таких структурах. Ленгмюровская ванна. Перенос молекулярных монослоев на твердотельные подложки. Получение моно- и мультислойных пленок заданной структуры и состава. Автоматизированная система для получения пленок Ленгмюра-Блоджетт. Физико-химические свойства смешанных монослоев и пленок Ленгмюра-Блоджетт. Монослои и пленки, содержащие макромолекулы (белки и другие полимеры). Монослои амфифильных полимеров. Поверхностные мицеллы. 11. Структура и свойства моно- и мультислойных молекулярных пленок. Методы исследования структуры и физико-химических свойств моно- и мультислойных молекулярных пленок. ЭПР-спектроскопия. Дифракция рентгеновского излучения. Электронография. Сканирующая зондовая микроскопия. Оптические методы. Электронная микроскопия. Металлсодержащие пленки Ленгмюра-Блоджетт как модели двумерных физических систем. Двумерные магнетики и ферроэлектрики. Электропроводящие молекулярные пленки. Химические реакции в монослоях и пленках. Электронный перенос в наноструктурах на основе многокомпонентных пленок Ленгмюра-Блоджетт. Взаимодействие биологически-активных веществ с Ленгмюровским монослоем. Комплексы полиэлектролитов и поверхностно-активных веществ. Нуклеолипиды. Комплексы ДНК и эффекты гибридизации на поверхности молекулярных структур (в Ленгмюровском монослое на границе раздела фаз газ-водная фаза, на поверхности липосом и на планарных твердотельных подложках). Амфифильные катионы и трансмембранный перенос ДНК. Нанопленки, находящиеся в свободном состоянии в объемной жидкой фазе. Нанопленочные везикулы и капсулы. Липосомы. Явление самопроизвольного образования нанокомпозитных нанопленок в объеме жидкой фазы. 12. Молекулярные, композитные, гибридные наноструктуры и наноматериалы. Биомиметические наноструктуры - кластеры и наночастицы в Ленгмюровских и полимерных пленках, их применение в наноэлектронике. Планарные неорганические, гибридные органико-неорганические и органические тонкопленочные суперструктуры, получаемые методом послойной чередующейся монослойной адсорбции. Полимерные капсулы. Предельно тонкие организованные монослойные полимерные и композитные наноструктуры. Ленгмюровские пленки как исходный тонкопленочный металлорганический материал для получения металлических, оксидных, керамических, ультратонких покрытий высокого качества. Оптически-активные пленки. Молекулярные сенсоры и био-сенсоры. Гидрофобизация и гидрофилизация поверхностей. Эффект лотоса и ультрагидрофобные поверхности. Незапотевающие поверхности, получаемые методом послойной сборки нанослоев. Наноструктурированные поверхности. Нанокерамические покрытия. Получение биосовместимых и бактерицидных поверхностей. Радиопоглощающие покрытия. Нанесение рисунка на поверхность с использованием СЗМ. Электрораспыление. Нано-печать. Перспективы практического применения молекулярных и композитных наноструктур. Иммобилизованные на поверхности комплексы ДНК и белков, биочипы. Био-неорганические гибридные наноматериалы, включающие биомолекулы. Использование биомолекулярных структур в качестве темплатов для синтеза организованных неорганических наноструктур (цепочки наночастиц, нанопровода и наностержни, и др.). Комплексы ДНК и био-неорганические наноструктуры. Коньюгаты полупроводниковых наночастиц и биомолекул. Коньюгаты металлических наночастиц и биомолекул. Коньюгаты магнитных наночастиц и биомолекул. Наноматериалы и наноразмерные элементы устройств для био-медицинских применений. Средства доставки диагностических агентов, лекарственных, биологически-активных веществ и терапевтических генов. Искусственные вирусы для трансмембранного переноса нуклеиновых кислот. Капсиды вирусов в качестве средств доставки нуклеиновых кислот и других биологически-активных веществ. Нанопленочные капсулы и наноразмерные полимерные комплексы со структурой типа ядро-оболочка для транспорта и контролируемого высвобождения лекарств. Активные элементы биокаталитических наносистем и биосенсоров, содержащие биогенные компоненты (ферменты, нуклеиновые кислоты, антитела и рецепторы, клеточные органеллы, клетки, и др.). Полиэлектролитные комплексы, содержащие биогенные компоненты. Методы регистрации данных в биосенсорах (электрохимические, электронные, микрогравиметрические, оптические (поглощение света, рамановское рассеяние, флуоресценция, поверхностные плазмоны, и др.), на основе сканирующей зондовой микроскопии). Магнитные наночастицы в биотехнологиях и медицине (контрастирующие агенты в магнитной томографии, абсорбенты электромагнитного излучения в гипертермии, компоненты средств адресной доставки лекарственных веществ и др.). Бактерицидные материалы. Наноструктурированные биосовместимые материалы, покрытия и поверхности для протезов и имплантантов, культивирования клеток, лечения ожогов. Перспективы развития нано-науки и нанотехнологий. Литература. 1. И.П. Базаров, Термодинамика, М.: Высш. шк., 1991. 2. А. Адамсон, Физическая химия поверхностей, М.: “Мир”, 1979. 3. Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, В.М. Муллер, Поверхностные силы, М.: Наука, 1985. 4. Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Смачивающие пленки, М. наука, 1984. 5. А.И. Русанов, Фазовые равновесия и поверхностные явления, Химия, Ленинград, 1967. 6. Современная теория капиллярности. Ред. А.И. Русанов, Ф.Г. Гурич, Л.: Химия, 1980. 7. Наука о коллоидах, ред. Г.Р. Кройт. пер. с англ., М.: “Иностранная литература”, 1955. 8. Л.И. Богуславский, Биоэлектрохимические явления и граница раздела фаз. М.: “Наука”, 1978. 9. В.Г. Ивков, Г.Н. Берестовский, Динамическая структура липидного бислоя, М.: “Наука”, 1981. 10. А.Б. Рубин, Биофизика: в 2-х книгах, М.: “Высш. шк.” 1987. 11. Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф, Молекулярная биология клетки, в 5-ти томах, "Мир", М., 1986. 12. А. Ленинджер, Биохимия, М.: “Мир”, 1974. 13. Л.А. Блюменфельд, Проблемы биологической физики, "Наука", М., 1977. 14. В.А. Твердислов, А.Н. Тихонов, Л.В. Яковенко, Физические механизмы функционирования биологических мембран, Изд. МГУ, М., 1987. 15. С.С. Духин, В.Н. Шилов, Диэлектрические явления и двойной слой в дисперсных системах и полиэлектролитах, "Наукова думка", Киев, 1972. 16. Микроэмульсии. Структура и динамика. Ред. Фриберг С.Е., Богорел П., М., Мир, 1990. 17. П.А. Ребиндер, Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия, М. 1978. 18. И. Пригожин, Р. Дефэй, Химическая термодинамика, Наука, Новосибирск, 1966. 19. И. Пригожин, Д. Кондепуди, Современная термодинамика., М. Мир, 2002. 20. R. Defay, and I. Prigogine, Surface Tension and Adsorption, Longmans, London, 1966, 432p. 20а. R. Defay and I. Prigogine, Surface Tension and Adsorption, Wiley, New York, 1966. 21. Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина, Коллоидная химия, М.: Высшая школа, 2007. 22. Д.А. Фридрихсберг. Курс коллоидной химии. М.: Химия. 1984. 23. М. Джейкок, Д. Парфит, Химия поверхностей раздела фаз, - М.: Мир, 1984, 269с. 24. G.B. Khomutov, Organized Planar Bio-Molecular and Hybrid Bio-Organic-Inorganic Nanostructures, in: “Biocatalytic Technology and Nanotechnology” (G. E. Zaikov ed. ), Nova Science Publishers, Inc., Hauppauge, NY, 2004., Pages 1-27. 25. G.B. Khomutov, Yu.A. Koksharov, Effects of Organic Ligands, Electrostatic and Magnetic Interactions in Morphological Control of Inorganic Nanomaterials: a Case of Interfacially-formed Planar Noble Metal and Iron Oxide Nanostructures, in: “Trends in Surface Science Research”, Ed. by C.P. Norris, Nova Science Publishers, NY, 2006, pp. 55-96. 26. M. Giersig, G.B. Khomutov, (Editors.), Nanomaterials for application in medicine and biology, Springer, Dordrecht,The Netherlands, 2008, 188p. 27. В.И. Ролдугин, Физикохимия поверхности, ООО Издательский Дом «Интеллект», 2008, 565с.
- Добавил в систему: Хомутов Геннадий Борисович