Транспорт веществ через биомембрану.

Мембрана клетки представляет собой барьер для ионов: перемещение ионов из воды в центр мембраны энергетически невыгодно, поскольку сопряжено с затратами энергии на освобождение иона от гидратной оболочки. Наиболее адекватной количественной моделью такого перехода является модель Борна. Работа, необходимая для переноса иона с зарядом q и радиусом r из среды с диэлектрической проницаемостью в среду с диэлектрической проницаемостью , определяется по формуле:

Диэлектрическая проницаемость воды равна примерно 80; для внутренней части мембраны обычно используют характерную для углеводородов величину . Тогда работа, совершаемая при переносе иона с валентностью Z, составит ккал/моль;

для перемещения внутрь мембраны одновалентного иона радиусом 0,2 нм нужно затратить энергию около 40 ккал/моль. Ясно, что такое перемещение энергетически весьма невыгодно, иными словами, бислой является труднопреодолимым барьером для ионов.

Тем не менее транспортные процессы являются основой для понимания механизма формирования потенциала покоя между поверхностями мембраны и потенциала действия, поэтому им необходимо уделить особое внимание. Важную роль в описании транспортных процессов играет понятие свободной энергии Гиббса. Дело в том, что тепловая энергия при постоянной температуре не может быть использована для совершения работы. Протекание химических реакций в жидкой фазе не изменяет давление, но может изменить объем. Для таких систем вместо изменения внутренней энергии системы используется изменение ее энтальпии (), которое равно , где Р- давление, -изменение объема, - изменение внутренней энергии. Между изменением свободной энергии и изменением энтальпии при постоянном давлении и температуре существует соотношение, вытекающее из первого и второго законов термодинамики:

Энергия Гиббса, приходящаяся на 1 моль вещества, называется электрохимическим потенциалом , т.е. при этом изменение энергии Гиббса будет вычисляться по формуле , где m – число молей вещества.

В дальнейшем мы будем различать пассивный и активный транспорт; под термином «пассивный транспорт» будем понимать движение частиц из области с большим значением электрохимического потенциала в область с его меньшим значением (при котором энергия Гиббса понижается и <0), а под термином «активный транспорт» - обратное движение из мест с меньшим в места с большим значением электрохимического потенциала, сопровождающееся повышением энергии Гиббса >0) и предполагающее необходимость затраты внешней энергии.

3.Методы исследования биомембран: оптическая микроскопия,электронная микроскопия.

Электронная микроскопия.

Для исследования структуры мембран используется электронный микроскоп, предел разрешения которого определяется длиной волны де Бройля для движущегося с высокой скоростью электрона: ,

где h – постоянная Планка; m - масса электрона; - скорость электрона. Предел разрешения электронного микроскопа может достигать . Для получения четкой электронограммы клетки ее мембраны контрастируют, осаждая на них вольфрам, осмий и другие химические элементы, которые хорошо поглощают и рассеивают электроны.

Для исследования мембран используются методы замораживания-скалывания и замораживания-травления. Препараты быстро замораживают, не подвергая их каким-либо повреждающим воздействиям, как при получении тонких срезов. Подготовка препарата включает ряд операций.

После замораживания образец, представляющий собой суспензию клеток, скалывают с помощью ножа при низкой температуре (-100 ⁰С) в глубоком вакууме. При скалывании образуется срез, проходящий через образец. Оказалось, что если плоскость среза проходит через мембрану, она раскалывается преимущественно по срединной области и расщепляется на две половины. На образовавшихся плоскостях скола обнажается внутренняя область мембраны.

При необходимости образец подвергают травлению и проводят обычную возгонку льда в вакууме. Это позволяет лучше визуализировать поверхностные структуры клеточных мембран. После этого получают так называемую реплику с обнаженной поверхности. Эту реплику и изучают методом электронной микроскопии. Для получения реплики сначала напыляют на образец платину под углом около 45⁰, чтобы выявить топологические характеристики препарата. Затем платиновой реплике придают механическую прочность, нанося на нее слой углерода. После этого препарат оттаивают, реплика всплывает, и ее вылавливают с помощью специальной сеточки.

Оптическая микроскопия.

Наблюдать структуру мембраны в обычный оптический микроскоп нельзя. Чтобы это понять, вспомним, что такое предел разрешения прибора Z. Это минимальное расстояние между двумя точками, изображения которых еще можно увидеть раздельными. Естественно, что чем меньше Z, тем качественнее прибор, так как позволяет видеть более мелкие структуры. Для грубой оценки разрешения оптического микроскопа используем соотношение: .

В качестве для оценки подставим в формулу минимальное значение длины волны видимого света () и получим для предела разрешения Z=200 нм.

Эта величина примерно в 20 раз больше толщины мембраны, поэтому о наблюдении мембраны в оптический микроскоп не может быть и речи. Но возможно использование микропроекции и микрофотографии.

Формирование микроскопического изображения происходит с участием человека и завершается образованием действительного изображения в глазу. Обычный микроскоп сам по себе не создает действительное изображение. Однако для фотографирования (микрофотография) или проекции микроскопического изображения на экран (микропроекция) должно быть получено действительное изображение. Для этого изображении, даваемое объектовом Об, надо расположить дальше фокусного расстояния окуляра.