МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ФРАНКА
Біологічний факультет
Кафедра біохімії
Кафедра загальної і соціальної педагогіки
ПЛАН-КОНСПЕКТ
лекції з курсу «Молекулярно-клітинні механізми регуляції метаболізму»
на тему: «Плазматична мембрана. Іонні канали.»
проведеної в групі БЛБ-52с
20.03.2013 р.
Підготувала:
студентка групи БЛБ-52м
Свінтозельська М. М.
Перевірили:
к. б. н. доц. Климишин Н. І.
к. п. н. доц. Ковальчук Л. О.
Львів – 2013
Вид заняття: інформаційна лекція.
Дата: 20.03.2013 р.
Тривалість заняття: 90 хвилин.
Час проведення: 3-тя пара, 13.25 – 15.00
Місце проведення: ауд. 319, біологічний факультет.
І. Мета.
Навчальна: формувати у студентів наукові знання про електричні властивості мембран, поверхневий заряд мембрани, потенціал спокою та потенціал дії, іонні канали, ознайомити з класифікацією транспортних процесів та їх характеристикою.
Розвиваюча: розвивати у студентів уміння свідомо ставитися до проблем, що пов’язані з вивченням антибіотиків, як переносників іоннів, вміння помічати закономірності між будовою та функціональними властивостями іонних каналів.
Виховна: виховувати розуміння важливості знань в даній темі та стимул до наукової діяльності.
ІІ. Методи, прийоми, засоби:
методи, прийоми передачі та обміну словесною інформацією: розповідь, діалог, пояснення;
методи, прийоми розвитку мислення: аналіз, синтез, індукція, дедукція, узагальнення;
наочні методи: схеми, презентація;
технічні засоби навчання: проектор, комп’ютер.
ІІІ. Основні питання лекції:
Електричні властивості мембран. Поверхневий заряд мембрани. Потенціал спокою. Потенціал дії.
Класифікація транспортних процесів: проста дифузія, полегшена дифузія, активний транспорт.
Характеристика транспортних процесів. Транспорт низькомолекулярних речовин.
Іонні канали: керовані напрогую К+ -канали, керовані напрогую Na+ -канали, структурна та функціональна характеристика Са2+ -каналів.
Антибіотики як переносники іонів.
Питання для самостійного опрацювання:
Водні канали.
ІV.Рекомендована література:
Основна:
1. Болдырев А.А., Кяйвяряйнен Е.И., Илюха В.А. Биомембранология: Учебное пособие.-Петрозаводск: Изд-во Кар.НЦ РАН, 2006: – 226 с.
2. Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. – М.: Мир, 1997.– 624 с.
3. Курський М.Д., Кучеренко С.М. Біомемембранологія.- К.: Вища школа, 1992. – 260с.
4. Мушкамбаров Н.Н., Кузнєцов С.Л. Молекулярная биология.-М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2003. – 287с.
5. Остапченко Л.І., Михайлик І.В. Біологічні мембрани: методи дослідження структури та функцій: Навчальний посібник. – К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2006. – 215 с.
6. Клевець М.Ю., Манько В.В., Гільків М.О. та ін. Фізіологія людини і тварин: підручник [для студ. вищ. навч. закл.] – Львів: ЛНУ імені Івана Франка, 2011. – 304с.
Додаткова:
7. Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. Molecular biology of the Cell, 5th edition. Garland Science, 2008.
8. Шапигузов А.Ю. Аквапорины: строение, систематика и особенности регуляции. 2004 г.
Хід лекції:
I. Вступна частина
Привітання зі студентами.
Мотивація.
Дослідження біологічних мембран та іонних каналів залишається актуальним питанням, оскільки знання про їхню структуру та функції є необхідними для розв’язання багатьох прикладних проблем сучасної біології. Проведення таких досліджень потребує розробки біохімічних, молекулярно-біологічних, біофізичних, імунологічних та інструментальних методів, які б дозволили досліджувати структурно-функціональну організацію біомембран, їхню роль у процесах клітинного метаболізму, діагностування функціонального стану клітин.
Повідомлення теми лекції, визначення основних питань лекції, повідомлення рекомендованої літератури.
ІІ. Основна частина
Електричні властивості мембран. Поверхневий заряд мембрани. Потенціал спокою. Потенціал дії.
Біоелектричні потенціали - це електричні потенціали, що генеруються живими системами і відіграють важливу роль у процесах життєдіяльності.
У ході генерування біоелектричних потенціалів хімічна енергія переходить в електричну, оскільки значна частина енергії обміну речовин витрачається живими клітинами на створення нерівномірного розподілу іонів і генерування біоелектричних потенціалів. Біоелектричні потенціали забезпечують одну з основних властивостей живого - його збудливість, тобто здатність переходити в активний стан під дією зовнішніх чинників.
Біоелектричні явища відкрив у 1791 р. італійський вчений Л. Гальвані. У минулому їх досліджували А. Вольта, Е. Дюбуа-Реймон, Л. Герман, Ю. Бернштейн, В. Ю. Чаговець й інші. Значні успіхи у з'ясуванні механізмів генерації біоелектричних потенціалів отримано останнім часом завдяки дослідженням А. Ходжкіна, Б. Катца, П. Г. Костюка, М. Ф. Шуби, В. І. Скока, І. С. Магури, О. О. Кришталя та багатьох інших.
Мембранний потенціал спокою (МПС) — це різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани в умовах, коли клітина не збуджена. Цитоплазма клітини заряджена негативно по відношенню до позаклітинної рідини через нерівномірний розподіл аніонів та катіонів по дві сторони мембрани. Різниця потенціалів (напруга) для різних клітин має значення від −50 до −200 мВ (мінус означає, що всередині клітина більш негативно заряджена ніж зовні). Мембранний потенціал спокою виникає на мембранах всіх клітин і збудливих (нервів, м'язів, секреторних клітин) і незбудливих.
МПС необхідний для підтримання збудливості таких клітин, як м'язові та нервовоі. Також він впливає на транспорт всіх заряджених частинок у будь-якому типі клітин: він сприяє пасивному транспорту аніонів із клітини та катіонів у клітину.
Утворення та підтримання мембранного потенціалу забезпечують різні типи іонних насосів (зокрема натрій-калієвий насос або натрій-калієва АТФаза) та іонних каналів (калієві, натрієві, хлорні іонні канали).
Рис. 1. Участь натрій-калієвої АТФази, калієвих та натрієвих каналів у формуванні мембранного потенціалу спокою.
Формування потенціалу спокою
Рис. 2. Концентрації іонів K+, Na+, Cl- та органічних аніонів всередині та зовні клітини
До виникнення мембранного потенціалу спокою призводять два фактори: по-перше, концентрації різних іонів відрізняються зовні та всереднині клітини, по-друге мембрана є напівпроникною: одні іони можуть через неї проникати, інші — ні. Обидва ці явища залежать від наявності у мембрані спеціальних білків: концентраційні градієнти створюють іонні насоси, а проникність мембрани для іонів забезпечують іонні канали. Найважливішу роль у формуванні мембранного потенціалу відіграють іони калію, натрію та хлору. Концентрації цих іонів відрізняюються по дві сторони мембрани. Для нейрона ссавців концентрація K+ становить 140 мМ всередині клітини і тільки 5мМ ззовні, градієнт концентрації Na+ майже протилежний — 150 мМ зовні та 15 мМ всередині. Такий розподіл іонів підтримується натрій-калієвим насосом у плазматичній мембрані — білком що використовує енергію АТФ для закачування K+ у клітину і викачування Na+ із неї. Також існує концентраційний градієнт і для інших іонів, наприклад, хлорид аніону Cl-.
Концентраційні градієнти катіонів калію та натрію — це хімічна форма потенційної енергії. У перетворенні цієї енергії в електричну беруть участь іонні канали — пори, що формуються скупченнями спеціальних трансмембранних білків. Коли іони дифундують крізь канал, вони переносять одиницю електричного заряду. Будь-який сумарний рух позитивних або негативних іонів через мембрану буде створювати напругу, або різницю потенціалів по дві сторони мембрани.
Іонні канали, що беруть участь в утовренні МПС мають вибіркову проникність, тобто дають можливість проникати тільки певному типу іонів. В мембрані нейрона у стані спокою відкриті калієві канали (ті, що в основному пропускають тільки калій), більшість натрієвих каналів — закриті. Дифузія іонів K+ через калієві канали є вирішальною для створення мембранного потенціалу. Через те, що концентрація K+ значно вища всередині клітини, хімічний градієнт сприяє відтоку цих катіонів з клітини, тому в цитоплазмі починають переважати аніони, які не можуть проходити через калієві канали.
Відтік іонів калію із клітини обмежений самим мембранним потенціалом, оскільки при певному його рівні накопичення негативних зарядів у цитоплазмі буде обмежувати рух катіонів поза межі клітини. Таким чином, головним фактором у виникненні МПС є розподіл іонів калію під дією електричного та хімічного потенціалів.
Потенціал дії називають пікоподібне, дуже швидке коливання мембранного потенціалу, в основі якого лежить короткочасне перезарядження мембрани і подальше відновлення вихідного значення мембранного потенціалу. Таке коливання у нейронах триває 1-5 мс і досягає амплітуди 120 мВ. ПД відображає активний, або діяльний стан клітини.
Пригадайте фази потенціалу дії?
Головною причиною розвитку потенціалу дії є зміна проникності мембрани для іонів. Виникнувши у місці подразнення, потенціал дії поширюється уздовж нервового чи м’язового волокна, завдяки чому відбувається передача інформації у нервовій системі. В м’язових клітинах потенціал дії призводить до скорочення м’яза. Потенціал дії має декілька фаз, під час яких змінюється його величина: деполяризації, реполяризації, слідових потенціалів.
Рис. 3. Потенціал дії нервової клітини.