Строение и свойства биологических мембран

Студент должен знать: структурные основы функционирования мембран, строение, свойства и функции биологических мембран; определения жидкокристаллического и твердокристаллического состояний и условия фазового перехода между ними; физические свойства мембраны как фазы; понятия латеральная диффузия и “флип-флоп” переходов [1-4, 6].

 

Контрольные вопросы

1. Толщина биологических мембран составляет порядка:

а) 0,01 нм; б) 0,1 нм; в) 10 нм; г) 100 нм; д) 1 мкм.

2. Строение биологической мембраны.

3. Липиды в составе биологических мембран находятся:

а) в твердом аморфном состоянии;

б) в твердокристаллическом состоянии;

в) в жидком аморфном состоянии;

г) жидкокристаллическом состоянии;

д) правильный ответ не приведен.

4. При фазовом переходе мембран из жидкокристаллического в гель-состояние (твердокристаллическое) площадь мембраны, приходящаяся на одну молекулу липида:

а) уменьшается; б) увеличивается; в) не изменяется.

5. При фазовом переходе мембран из жидкокристаллического в твердо-кристаллическое состояние толщина мембраны:

а) уменьшается; б) увеличивается; в) не изменяется.

6. Чем больше в жирнокислотных неполярных «хвостах» липидов двойных связей, тем температура фазового перехода:

а) выше; б) ниже; в) не зависит от этого.

7. Температура плавления мембраны связана с изменением энтальпии и энтропии в этом процессе следующим образом:

а) Т _пл = ; б) Т _пл = ; в) Т _пл = ;

г) Т _пл = ; д) Т _пл = .

8. От каких параметров зависит скорость латеральной диффузии молекул в мембране.

9. Температура плавления мембраны или температура фазового перехода соответствует температуре, при которой

а) все фосфолипиды находятся в жидкокристаллическом состоянии;

б) все фосфолипиды находятся в твердокристаллическом состоянии;

в) количество фосфолипидов, находящихся в твердокристаллическом состоянии, равно количеству фосфолипидов в жидкокристаллическом состоянии;

г) 90% фосфолипидов находятся в жидкокристаллическом состоянии.

10. Холестерин встраивается в фосфолипидный бислой клеточной мембраны, при этом:

а) вязкость этого слоя уменьшается, проницаемость мембраны увеличивается;

б) вязкость не изменится, проницаемость не изменится;

в) вязкость увеличивается, проницаемость мембраны уменьшается;

г) вязкость увеличивается, проницаемость уменьшается.

11. При некоторых патологических процессах (отек легкого) утолщаются тканевые мембраны, но разность концентраций веществ по обе стороны мембраны остается неизменной. При этом транспорт веществ в организме:

а) замедляется; б) усиливается; в) не изменяется;

г) становится равным нулю.

12. Липидные модели биологических мембран: ___(1), ___(2), ___(3).

13. Классифицировать по типам (1 – общие, 2 – специфические) перечисленные функции биомембран: а) транспортная, б) барьерная, в) генерация биопотенциала; г) рецепторная.

 

Примеры решения задач

1. Рассчитайте толщину d мембраны, если ее участок площадью S =1мкм² имеет электрическую емкость, равную C =0,3·10^-14 Ф.

Решение.

Из формулы для емкости электрического конденсатора выразим толщину мембраны d: и подставим численные данные:

м = 5,9 нм.

 

2. Рассчитайте коэффициент D латеральной диффузии фосфолипидов, если среднее время их оседлой жизни составляет τ=5·10^-8 с. Площадь, занимаемая одной молекулой на мембране, составляет

A =5,5·10^-19 м².

Решение.

Время оседлой жизни молекулы обратно пропорционально частоте перескоков молекул на мембране вследствие латеральной диффузии

,

откуда получаем м²/с.

 

Задачи для самостоятельного решения

1. Рассчитайте диэлектрическую проницаемость ε мембранных липидов, если толщина мембраны d =10 нм, удельная электрическая емкость C =1,7·10^-3 Ф/м².

2. Рассчитайте время τ оседлой жизни и частоту перескоков ν из одного мембранного слоя в другой липидов мембран саркоплазматического ретикулума, если коэффициент латеральной диффузии D =12 мкм²/c, площадь, занимаемая одной молекулой фосфолипида, - А =0,7 нм².

3. Рассчитайте среднее квадратичное перемещение S _ср.кв. молекул белков за 1 с, если коэффициент латеральной диффузии для них составляет приблизительно D =10^-14 м²/c.

4. Олеиновая кислота СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН массой m =7,3 мкг образует на поверхности воды монослойную пленку круглой формы диаметром d =7,3 см. Вычислите площадь А, которую занимает одна молекула олеиновой кислоты.

5. Сколько молекул фосфолипида находится в липосоме диаметром d =40 нм, если площадь, занимаемая одной молекулой равна А =0,6 нм². Площади внутреннего и внешнего слоев приблизительно равны, плотность упаковки фосфолипидов постоянна.

6. Рассчитайте температуру t _пл фазового перехода жирной кислоты, если во время плавления энтальпия изменяется на Δ H =15 кДж/моль, а энтропия - на Δ S =52 Дж/(К·моль).

7. Одна молекула фосфолипида занимает площадь 0,7 нм². Сколько молекул фосфолипидов содержится в 1мкм² фосфолипидной бислойной мембраны?

8. Определите диэлектрическую проницаемость биологической мембраны толщиной 7,5 нм, если ёмкость единицы площади мембраны равна 1 мкФ/см².

9. Вычислите толщину мембраны, если средняя электрическая ёмкость единицы площади мембраны равна 1 мкФ/см². Диэлектрическая проницаемость биомембраны равна 9.

 

Свойства электролитов

Студент должен знать: элементы физической химии, основы теории Дебая-Хюккеля о равновесных свойствах электролитов; понятия ионной силы раствора, радиуса экранирования заряда, особенности взаимодействия макромолекул в растворах электролитов; основы теории Гуи-Чепмена двойного электрического слоя; методику оценки поверхностной плотности заряда; электрокинетические явления и соотношения между ними, понятие дзета-потенциала и его косвенную оценку по формуле Смолуховского [3, 8].

 

Контрольные вопросы

1. Ионная сила раствора электролита определяется следующим образом:

а) ; б) ; в) ;

г) ; д) .

2. Толщина ионной оболочки, окружающей в электролите заряженную макромолекулу, зависит

а) только от свойств электролита;

б) от температуры и размера макромолекулы;

в) от свойств электролита при определенной температуре;

г) от температуры и ионной силы раствора;

д) от заряда макромолекулы и ионной силы раствора.

3. Объемная плотность заряда ионной атмосферы зависит

а) только от кулоновского поля центрального иона;

б) только от теплового движения;

в) только от свойств электролита;

г) от кулоновского поля центрального иона и теплового движения;

д) от кулоновского поля центрального иона, тепловых флуктуаций и

свойств электролита;

е) от кулоновского поля центрального иона и свойств электролита;

4. Параметра Дебая-Хюккеля χ

а) определяет расстояние 1/χ, на котором происходит падение

потенциала электрического поля центрального иона в е раз;

б) определяет расстояние 1/χ, на котором происходит падение

потенциала электрического поля центрального иона в 2 раза;

в) определяет расстояние χ, на котором происходит падение

потенциала электрического поля центрального иона на порядок;

г) определяет расстояние χ, на котором происходит падение

потенциала электрического поля центрального иона в е раз;

д) правильный ответ не приведен.

5. При разбавлении солевого раствора параметр Дебая-Хюккеля

а) увеличивается; б) не изменяется; в) уменьшается.

6. Белок осаждается в растворе

а) при уменьшении концентрации соли;

б) при высокой ионной силе раствора;

в) при низкой ионной силе раствора;

г) при увеличении концентрации соли.

7. При увеличении ионной силы раствора толщина ионной оболочки

а) уменьшается; б) увеличивается; в) не изменяется.

8. Перечислите и охарактеризуйте электрокинетические явления.

9. Размер диффузионной области двойного слоя зарядов

а) тождествен параметру Дебая-Хюккеля;

б) определяется как расстояние, на котором потенциал электрического поля поверхностного заряда уменьшается в е раз;

в) определяется как расстояние, на котором потенциал электрического поля поверхностного заряда уменьшается на порядок;

г) равен величине, обратной параметру Дебая-Хюккеля;

д) определяется только величиной поверхностного заряда.

10. Распределение ионов в области заряженной поверхности определяется:

а) поверхностным зарядом;

б) тепловыми флуктуациями и свойствами электролита;

в) электростатическим притяжением;

г) электрическим полем поверхностного заряда, тепловыми флуктуациями и свойствами электролита;

д) электрическим притяжением и тепловыми флуктуациями.

 

Примеры решения задач

1. Пусть имеется так называемый фосфатный буфер, включающий 0,1 моль/л KH₂PO₄ и 0,05 моль/л K₂HPO₄. Оценить ионную силу раствора и дебаевский радиус экранирования заряда (эффективную толщину ионной оболочки) при температуре t =38^oC; принять для воды ε=74.

Решение.

Рассчитываем концентрации отдельных ионов:

[ K ⁺] = [ KH₂PO₄ ] + 2[ K₂HPO₄ ] = 0,2 М (обозначение М эквивалентно размерности моль/л); [ H₂PO₄ ^-] = 0,1 М; [ HPO₄ ^2-] = 0,05 М.

Ионная сила раствора:

=0,25 М.

Дебаевский радиус r _D – величина, обратная параметру Дебая-Хюккеля χ:

=[8,85·10^-12Кл²/(Н·м²)·74·1,38·10^-23Дж/К·311К/

/(2·6,02·10²³1/моль·(1,6·10^-19) ²Кл²·0,25·10³моль/м³)] ^1/2 м = 6·10^-10 м.

 

2. Определите, во сколько раз отличаются ионные силы растворов двух солей, KCl и CaCl ₂ и радиусы экранирования зарядов в этих растворах, если концентрации растворов одинаковы, их диэлектрические проницаемости близки, и температуры одинаковы.

Решение.

Обозначим исходные концентрации солей в растворах как С.

Ионная сила раствора соли KCl:

.

Ионная сила раствора соли CaCl ₂:

.

Ионные силы растворов отличаются в три раза: .

Отношение радиусов экранирования зарядов в растворах:

.

При одинаковых концентрациях ионная сила раствора соли CaCl ₂ в 3 раза больше, а дебаевский радиус в раз меньше, чем для соли KCl.

 

Задачи для самостоятельного решения

1. Концентрации двух растворов одинаковы. В первом присутствуют одновалентные ионы соли NaCl, а во втором – двухвалентные ионы соли CaHPO₄. Во сколько раз отличаются радиусы экранирования зарядов в этих растворах, если их диэлектрические проницаемости близки, температуры одинаковы.

2. Физиологический раствор Рингера имеет следующий состав:

[NaCl]=105 мМоль/л (мМ); [KCl]=5 мМ;

[Na₂HPO₄]=25 мМ; [CaCl₂]=2 мМ.

Определить ионную силу I раствора Рингера и толщину ионной атмосферы r _D при температуре 25 ^oC.

3. Рассчитать дебаевские радиусы экранирования заряда для указанных растворов солей заданных концентраций. Найти отношение полученных значений радиусов экранирования.

а) KCl (0,1 г/л) и CaCl₂ (10 г/л); б) NaCl (1 г/л) и MgCl₂ (0,5 г/л).