1. Биологические мембраны, их основные функции. Физические характеристики биологических мембран (толщина, диэлектрическая проницаемость, электрическое сопротивление). Жидкостно-мозаичная модель мембраны. Диффузия липидных молекул. Частота перескоков.

Функции:

барьерная — обеспечивает селективный, регулируемый, пассив­ный и активный обмен веществом с окружающей средой (селективный - значит, избирательный: одни вещества переносятся че­рез биологическую мембрану, другие - нет; регулируемый - про­ницаемость мембраны для определенных веществ меняется в за­висимости от генома и функционального состояния клетки);

матричная - обеспечивает определенное взаимное располо­жение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оп­тимальное взаимодействие (например, оптимальное взаимодей­ствие мембранных ферментов);

механическая — обеспечивает прочность и автономность клет­ки, внутриклеточных структур.

Кроме того, биологические мембраны выполняют и другие функции: энергетическую - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов; генерацию и проведение биопотенциалов; рецепторную (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция - мембранные процес­сы) и многие другие функции. вы­сокое электрическое сопротивление =10⁷ Ом-м² и большая ем­кость = 0,5-10-² Ф/м².

Биологическую мембрану можно рассматривать как элект­рический конденсатор, в котором пластинами явля­ются электролиты наружного и внутреннего растворов (внекле­точного и цитоплазмы) с погруженными в них головами липидных молекул. Проводники разделены диэлектрическим слоем, образованным неполярной частью липидных молекул - двойным слоем их хвостов. Липиды - диэлектрики с диэлект­рической проницаемостью E = 2.

Емкость плоского конденсатора где электрическая постоянная £g= 8,85 • 10¹² Ф/м, d - рассто­яние между пластинами конденсатора, S - площадь пласти­ны.

Удельная емкость (на единицу площади) ,

отсюда толщина -

Структурную основу биологической мембраны образует двойной слой фосфолипидов, инкрустированный белками. Белки мембраны подразделены на два вида. Молекулы первого типа являются гидрофильными. Эти белки, называемые периферическими, соединены с поверхностью мембраны сравнительно слабыми электростатическими силами. Белки второго вида имеют как гидрофильные, так и гидрофобные группы. Их молекулы более или менее погружены в мембрану, и удерживаются в ней более прочными гидрофобными силами. Некоторые белки пронизывают мембрану от ёё внутренней до внешней поверхностей - интегральные белки .Липиды находятся при физиологических условиях в жидком агрегатном состоянии. При этом, соотношение количества белков и липидов во всех мембранах должно быть примерно одинаково.

Латеральная диффузия - это хаотическое тепловое перемещение молекул липидов и белков в плоскости мембраны. При латеральной диффузии рядом рас­положенные молекулы липидов скачком меняются местами, и вследствие таких последовательных перескоков из одного мес­та в другое молекула перемещается вдоль поверхности мемб­раны. Среднее квадратичное перемещение S кв. молекул при диф­фузии за время t можно оценить по формуле Эйнштейна:

Перемещение молекул по поверхности мембраны клетки за время t определено экспериментально методом флуоресцентных меток - флюоресцирующих молекулярных групп. Флуоресцентные метки делают флюоресцирующими молекулы, дви­жение которых по поверхности клетки можно изучать, например, исследуя под микроскопом скорость расплывания по поверхности клетки флюоресцирующего пятна, созданного такими молекулами.

Частота перескоков (число перескоков в секунду) молекулы с одного места на другое вследствие латеральной диффузии может быть найдена по формуле:

где f - площадь, занимаемая одной молекулой на мембране.

Флип-флоп - это диффузия молекул мембранных фосфолипидов поперек мембраны.

Скорость перескоков молекул с одной поверхности мембра­ны на другую (флип-флоп) определена методом спиновых ме­ток в опытах на модельных липидных мембранах - липосомах .

Часть фосфолипидных молекул, из которых формировались липосомы, метились присоединенными к ним спиновыми мет­ками. Липосомы подвергались воздействию аскорбиновой кис­лоты, вследствие чего неспаренные электроны на молекулах пропадали: парамагнитные молекулы становились диамагнит­ными, что можно было обнаружить по уменьшению площади под кривой спектра ЭПР.

Таким образом, перескоки молекул с одной поверхности бислоя на другую (флип-флоп) совершаются значительно медлен­нее, чем перескоки при латеральной диффузии. Среднее время, через которое фосфолипидная молекула совершает флип-флоп (Т ~ 1 час), в десятки миллиардов раз больше среднего времени, характерного для перескока молекулы из одного места в сосед­нее в плоскости мембраны.

2. Электрохимический потенциал. Транспорт веществ через биологическую мембрану: пассивный и активный, принципиальные различия между ними. Плотность потока вещества

Химическим потенциалом данного вещества называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на один моль этого вещества. Математически он определяется как частная производная от энергии Гиббса G по количеству k-го вещества, при постоянстве температуры Т, давления Р и количеств всех других веществ m1 (l не = k):

Пассивный транспорт - это перенос вещества из мест с боль­шим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением .

Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и поэтому этот процесс может идти самопроизвольно без затра­ты энергии. Плотность потока вещества j при пассивном транспорте под­чиняется уравнению Теорелла: где U - подвижность частиц, С - концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания. Плотность потока вещества - это величина, численно равная количеству вещества, перенесенного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направле­нию переноса:

Активный транспорт — это перенос вещества из мест с мень­шим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением.

Активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), то есть за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ. Активный транспорт веществ через биологические мембра­ны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., под­держивающие жизненные процессы, то есть с точки зрения тер­модинамики активный перенос удерживает организм в нерав­новесном состоянии, поддерживает жизнь.

Плотность потока вещества – это величина, численно равная количеству вещества, перенесенного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса:

Jm=m/S*t (моль/м2с)

3. Электродиффузионня теория. Диффузия заряженных частиц. Уравнение Теорелла. Уравнение Нернста - Планка. Диффузия незаряженных частиц. Уравнение Фика.

Плотность потока вещества jм при пассивном транспорте под­чиняется уравнению Теорелла:

где U - подвижность частиц, С - концентрация.

Выражение разбавленных растворов при Мю = const уравнение Нернста—Планка:

градиент концентрации градиент электрического потенциала- dФи/dX.

Диффузия — самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентра­цией вещества вследствие хаотического теплового движения молекул.

Диффузия вещества через липидный бислой вы­зывается градиентом концентрации в мембране. Плотность по­тока вещества по закону Фика:

где С1м ^- концентрация вещества в мембране около одной ее по­верхности и См2 - около другой, I - толщина мембраны. Градиент концентрации приблизительно равен (См2-См1)/L.

Облегченная диффузия – происходит при участии молекул переносчиков (валиномицин – переносит ионы калия). Никакая дополнительная энергия не требуется для этого процесса. Но облегченная диффузия отличается от свободной диффузии своей высокой специфичностью. Переносчики мембраны могут узнавать даже оптические изомеры одного и того же вещества. Отличия облегченной диффузии от простой:

1) перенос вещества с участием переносчика происходит зна­чительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мем­браны плотность потока вещества возрастает лишь до некото­рого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция пе­реносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком пере­носятся разные вещества; При этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; Так, из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза, и т.д.;

Электродиффузия - диффузия электрически заряженных частиц (ионов) под влиянием концентрационных и электрических градиентов. Ионы - атомы или группы атомов, которые приобретают электрический заряд, теряя или приобретая электроны. Липидный бислой мембраны непроницаем для ионов. Они могут проникнуть через плазматическую мембрану только посредством специальных структур - ионных каналов, которые образованы интегральными белками.

Движущей силой диффузии является не только разность концентрации ионов внутри и вне клетки, но также разность электрических потенциалов, создаваемых этими ионами по обе стороны мембраны. Следовательно, диффузионный поток ионов определяется градиентом электрохимического потенциала (электрохимический градиент).

уравнение Нернста-Планка с учётом двух градиентов, которые обуславливают диффузию ионов: