Физическое состояние и фазовые переходы липидов в мембранах

Физическое состояние липидов представляет жидко-кристаллическое состояние. Время оседлой жизни ФЛ в мембране мало(10^-7сек). Но молекулы расположены в мембране не беспорядочно, в их расположении существует дальний порядок, который характерен для твердого кристаллического состояния. Физическое состояние, при котором существует дальний порядок во взаимном расположении и ориентации молекул, но агрегатное состояние при этом жидкое, называется жидко-кристаллическим состоянием. Жидкие кристаллы образуются только в в-вах, состоящих из длинных молекул. ЖК стр-ры могут быть различны: нематическая стр-ра(молекулы расположены параллельно друг другу), смектическая или мылообразная(молекулы расположены параллельно друг другу и послойно), холестерическая (молекулы расположены параллельно друг другу, послойно и в одной плоскости). Бислойная ЖК фаза липидов в мембране соответствует смектической стр-ре. ЖК стр-ра чувствительна к изменению t⁰, р, электрического поля и химического состава. Это определяет динамичность липидов мембраны – изменение их стр-ры в зависимости от изменения внешних факторов. При понижении t⁰ ФЛ в мембране переходят из ЖК состояния в гель-состояние, при котором молекулы расположены более упорядочено. Все гидрофобные хвосты в гель-состоянии вытянуты параллельно друг другу. В жидком кристалле за счет теплового движения хвосты могут изгибаться и параллельность их нарушается, особенно в середине мембраны. Толщина мембраны в гель-фазе(4,7 нм) больше, чем в ЖК состоянии(3,9 нм).

В живых системах при длительном понижении t⁰ наблюдается изменение химического состава мембран, которое обеспечивает понижение t⁰ фазового перехода и сохраняет устойчивость мембран. В зависимости от химического состава t⁰ фазового перехода гель – жидкий кристалл может изменятся от -20⁰С до +60⁰С

18.Основные закономерности проникновения веществ в клетку (электро­химический потенциал)

Транспорт в-ств – необходимое условие жизни. С ним связаны такие процессы как метаболизм клетки, образование биопотенциалов, биоэнергетика, генерация нервного импульса и др. Для описания процесса транспорта важное значение имеет электрохимический потенциал. Химическим потенциалом в-ва называют энергию Гиббса, приходящуюся на 1 моль в-ва.

Электрохимический потенциал – это величина, равная энергии Гиббса на 1 моль в-ва, помещенного в электрическое поле

 

Пассивный перенос веществ через мембрану

Пассивный транспорт – это перенос в-ства из мест с большим значением электро-химического потенциала к местам с его меньшим значением. Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса и поэтому может идти самопроизвольно. Величина потока определяется уравнением Мнорелла:

Плотность потока в-ва – это величина, численно равная количеству в-ва, перенесенного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению переноса. Если выразить плотность потока через электро-химический потенциал, то:

Из этого ур-ния видно, что существует две причины переноса в-ва через мембрану: градиент концентрации и градиент потенциала. Знаки «-» показывают, что градиент уменьшается при переносе в-ва. Перенос идет от больших концентраций к меньшим и от большего потенциала к меньшему. При наличии двух градиентов одновременно может происходить перенос от меньшей концентрации к большей при условии, что градиент концентрации больше градиента потенциала. При условии отсутствия электрического поля плотность потока:

Если обозначать URT = D, то получается уравнение диффузии или закон Фика:

 

Схема механизмов которые обеспечивают пассивный транспорт через мембрану:

 

Простая диффузия молекул через мембраны

Диффузия это самопроизвольное перемещение в-ва из мест с большей концентрацией в место с меньшей концентрацией вследствие хаотического теплового движения. Диффузия в-ва через липидный бислой вызывается градиентом концентраций в мембране. Плотность потока определяется законом Фика:

Проницаемость мембраны характеризуется коэффициентом проницаемости, который выражается как:

Коэффициент проницаемости(Р) тем больше, чем больше коэффициент диффузии(D), а D определяется вязкостью мембраны. Коэффициент проницаемости прямо пропорционален коэффициенту распределения, который определяет насколько хорошо в-во растворяется в мембране. В липидной фазе мембраны хорошо растворяются неполярные в-ва(органические ЖК и эфиры). Плохо проникают полярные водорастворимые в-ва(соли, сахара, АК, спирты). Через липидные и белковые поры проникают нерастворимые в липидах в-ва и водорастворимые гидратированые ионы. Мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер молекулы, тем меньше проницаемость. Избирательность переноса в-ва обеспечивается наличием в мембране пор различного радиуса. Этот набор пор зависит от мембранного потенциала. С уменьшением мембранного потенциала уменьшаются размеры пор.

21.Облегченная диффузия малых полярных молекул и металлических ио­нов

Облегченная диффузия происходит при участии молекул-переносчиков. существует подвижный переносчик – валиномицин, который имеет форму манжетки, устланную внутри полярными группами, а снаружи неполярными. Валиномицин может образовывать комплексы с ионами калия и может растворятся в липидном слое. Молекула валиномицина, оказавшись в у поверхности мембраны может захватывать из раствора ионы калия; диффундируя в мембрану он переносит калий на другую сторону мембраны и отдает его в раствор – происходит перенос калия через мембрану. Валиномицин может выносить калий и наружу, но с меньшей вероятностью. Облегченная диффузия отличается от простой следующими свойствами: 1)перенос в-ва с переносчиком идет быстрее; 2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения, т. е. при некоторой концентрации наступает насыщение и кривая не изменяется(из-за занятости всех переносчиков).

3) конкуренции переносимых в-ств; 4)есть в-ва, которые блокируют облегченную диффузию, образуя с переносчиками прочные комплексы, которые не разрушаются при транспорте через мембрану.

Разновидностью облегченной диффузии является диффузия с фиксированным переносчиком. Эти переносчики фиксированы поперек мембраны. При этом молекула переносимого в-ва передается от одного переносчика другому, как эстафета.

Проницаемость биомембран для воды

Фильтрация – это движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Она выражается формулой:

Фильтрация играет важную роль при переносе Н₂О через стенки кровеносных сосудов.

Осмос – преимущественное движение молекул Н₂О через полупроницаемые мембраны из мест с меньшей концентрацией в места с большей концентрацией. Полупроницаемые мембраны непроницаемы для вещества и проницаемы для воды.

\

Активный транспорт

Это перенос веществ из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с большим его значением. Он сопровождается ростом энергии Гиббса и не может идти самостоятельно, а возможен только с процессом гидролиза АТФ. За счёт активного транспорта в организме создаются градиенты концентрации, электрический потенциал, давления, которое поддерживает все жизненные процессы. С точки зрения термодинамики организм поддерживается в неравновесном состоянии. Согласно современным представлениям в биологических мембранах существуют электрогенные ионные насосы. Они работают за счёт свободной энергии гидролиза АТФ. Известно три типа насосов:

 

Ка-Na – насос работает по следующим этапам:

· Образование комплекса с ферментами на внутренней поверхности мембран

· Связывание комплекса 3 по Na⁺

· фосфорилирование ферментов с образованием АДФ

· переворот (флип-флоп) ферментов внутри мембран

· реакция ионного обмена Na⁺ на K⁺ на внутренней поверхности мембран

· обратный переворот ферментного комплекса с переносом K⁺ внутрь клетки

· возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов K⁺