Биологические мембраны, их строение и физические свойства.

Основой существования всех живых организмов является клетка. Каждую клетку окружает мембрана, через которую происходит постоянный перенос вещества. Благодаря этому поддерживает метабализм, биоэнергетические процессы, генерируются биопотенциалы-нервные импульсы, за счет которых происходит взаимодействие клеток организма.

Функции:

Механическая – за счет которой обеспечивается прочность клетки, автономномность.

Матричная – специфичное расположение ферментов-белков,гликопротеинов,гликолипидов.

Барьерная – Регулируемый обмен между клеткой и внешней средой.

Строение: Схема строения биологической мембраны клетки: 1 — углеводные фрагменты гликопротеидов; 2 — липидный бислой; 3 — интегральный белок; 4 — «головки» фосфолипидов; 5 — периферический белок; 6 — холестерин; 7 — жирнокислотные «хвосты» фосфолипидов.

Строение фосфолипида:

Состоит из полярной головки, которая является диполем и неполярного обычного хвоста.

Головка-гидрофильна, соприкасается с водой

Хвост-гидрофобен,не соприкасается с водой

Такое свойство биполярности называется –амфифильность, за счет этого свойства молекулы способны к самосборке

Физические свойства:

1) Вопрос о строении с точки зрения физики:

Вопрос о строении был изучен с помощью коэффицента поверхностного натяжения:

Для границы раздела белок-вода q1=10 в -4 Н/м, для границы липид вода q2=10 в -2 Н/м

Значение коэффицента для биомембран ближе к первому значению

2) Фазовые переходы в биомембранах:

Фосфолипидная часть биомембраны может испытывать фазовые переходы-

При понижении температуры фосфолипиды переходят из жидко-крист. состояния в твердо-крист(гель-состояние)

Для жидко-кристалического состояния характерно наличие изогнутых хвостов. Полагают, что при таком состоянии осуществляется перенос полярных молекул через мембрану.

В твердо-кристалическом состоянии гидрофобные хвосты полностью вытянуты

При фазовых переходах могут образовываться каналы. Фазовые переходы могут быть вызваны не только температурой, но и химическими веществами.

3) Мембраны-это нечто застывшее, статическое. Изменение механического состояния мембраны определяется механическими характеристиками: подвижностью фосфолипидных молекул, их микровязкость

Для жидко-кристалического состояния микровязкость составляет 30-100 мПа*с (в 30-100 раз больше, чем у воды.

Вопрос №12

Перенос нейтральных частиц через мембраны. Уравнение простой диффузии.

Пассивный транспорт(направление в сторону переноса уменьшения концентрации)

1) Простая диффузия- перенос веществ из-за разности концентраций. Осуществляется через липидный слой, липидную пору, через белковую пору, также возможен осмос. Происходит выравнивание концентраций

2) Облегченная диффузия- протекает с подвижным или неподвижным переносчиком

3) Фильтрация – перемещения раствора или растворителя под разностью давлений(перенос воды через стенки капилляров) Явление подчиняется формуле Пуазейля Q= дельта P/ W, де Q –объемная скорость, дельта P- разность давлений, W –гидравлическое сопротивление

Уравнение диффузии:

Говоря о любом виде транспорта веществ используют понятие плотности потока переносимого вещества Ф, определяемого как число перенесенных частиц ко времени и площади, через которую этот перенос осуществляется Ф= N/(дельтаt*S)

Уравнение, описывающее процесс диффузии имеет вид(Уравнение Фика):

Ф=- D* дельта C/ дельта X, отношение дельта C/ дельта X называется градиентом концентрации, D –коэффицент диффузии

Так как диффузия-результат теплового движения молекул, коэффицент диффузии можно выразить через молекулярные характеристики-среднюю скорость молекулы (V) и среднюю длину сводного пробега молекул (л –лямбда) D=(1/3)*V*л

Для биомембран используют упрощенное уравнение Фика Ф=p(c1-c2)

C1 и С2 концентрации веществ внутри и внее клетки, P=D*K/дельта Х-проницаемость мембраны

Диффузия через поры:

Этот вид диффузии для липидо-нерастворимых веществ, водо-растворимых ионов

Облегченная диффузия:

Этим путем переносятся аминокислоты, сахара, ионы калия. Происходит с участием молекулы переносчика. Например, молекула ВАЛИНОМИЦИНА

Для облегченной диффузии характерны 4 особенности:

1) Коэффицент проницаемости для облегченной диффузии больше, чем для простой

2) Процесс обладает свойством насыщения

3) Наличие конкуренции переносимых веществ

4) Наличие веществ-блокираторов

Вопрос № 13

Перенос ионов через мембраны: электродиффузия, облегченная диффузия и Активный транспорт.

Уравнение Нернста-Планка: .

Поток, обусловленный разностью концентраций(Ф_ΔС): - D *

Поток, обусловленный разностью потенциалов(Ф_Δ :

Z – валентность электронов.

C – молярная концентрация.

U – подвижность ионов. U=V _{упор.движ.чатиц} /F.

F – число Фарадея (F=96500 Кл/Моль)

 

Вопрос № 14

Виды пассивного транспорта нейтральных и заряженных частиц через мембраны.

Пассивный транспорт (направление переноса в сторону уменьшения концентраций):

Простая диффузия – перенос вещества вследствие разности концентраций. Она может осуществляться через липидный слой, через липидную пору, через белковую пору. При это возможен также осмос – диффузия не растворенных частиц и растворителя от точек с меньшей концентрацией некоторого вещества к точкам с большей его концентрацией.

Плотность потока переносимого вещества – Ф, определяется как число перенесенных частиц ко времени и площади,через которую этот перенос осуществляется: Ф = m/ (Δt*S). Кроме того можно определить плотность через перенесенную массу: Ф_m = m/ (Δt*S) или количество вещества: Ф = ʋ/ (Δt*S). Уравнение, описывающее процесс диффузии(уравнение Фикса): .

- градиент концентрации.

D – коэффициент диффузии.

Фильтрация – перемещение раствора (и растворителя) под действием разности давлений. Этот вид переноса имеет основное значение при переносе воды через стенки капилляров. Явление подчиняется формуле Пуазейля Q= Δp/w, где Q - объемная скорость, Δp – разность давлений, w – гидравлическое сопротивление.

Облегченная диффузия может протекать с подвижным либо с неподвижным переносчиком.

Этим путем через мембраны переносятся аминокислоты, сахара, ионы калия. Облегченная диффузия происходит с участием молекулы переносчика. Например, молекула ВАЛИНОМИЦИНА, хорошо растворимая в липидах, имеет высокий коэффициент проницаемости. Внутри молекулы валиномицина имеются как бы полости с полярными группами, что позволяет молекуле захватывать и связывать ионы калия и другие липидонерастворимые вещества. Переносимое вещество(ионы калия) захватывается молекулой переносчиком там, где его больше и переносится туда, где его меньше, то есть перенос как и при обычной диффузии.

4 особенности облегченной диффузии:

1) Коэффициент проницаемости для облегченной диффузии больше, чем для простой.

2) Процесс облегченной диффузии обладает свойством насыщения.

3) Наличие конкуренции переносимых веществ. Ряд наиболее переносимых веществ: глюкоза > фруктоза > ксилоза > арабиноза.

4) Наличие веществ-блокираторов (напр. Флоридзин).

Электродиффузия – перенос не нейтральных молекул, а заряженных частиц(ионов) вследствие как разности концентраций, так и разности потенциалов.(Лютов с.94-95)

Диффузия через поры этот вид диффузии имеет место для липидо-нерастворимых веществ, водорастворимых гидратированных ионов. Чем больше диаметр молекулы или иона, тем проницаемость меньше (искл. Составляют ионы лития и натрия- их диаметр меньше, чем диаметр иона калия, но проницаемость меньше в 50-100 раз).

Вопрос.

Потенциа́л поко́я (ПП) - мембранный потенциал возбудимой клетки в невозбужденном состоянии. Он представляет собой разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны и составляет у теплокровных от -55 до -100 мВ^[1]. У нейронов и нервных волокон обычно составляет -70 мВ. Измеряется изнутри клетки.

Для того, чтобы на мембране поддерживалась разность потенциалов, необходимо, чтобы была определенная разность концентрации различных ионов внутри и снаружи клетки.