ЛЕКЦИЯ

ТЕМА: «Биофизика мембран».

План

1. Функции и строение мембран.

2. Электрохимический потенциал.

3. Механизм возникновения биопотенциалов. Потенциал Нернста.

4. Поток через мембрану незаряженных частиц.

5. Поток через мембрану заряженных частиц. Электродиффузионное уравнение Нернста-Планка.

6. Транспорт веществ через мембрану. Пассивный транспорт. Активный транспорт.

7. Стационарный потенциал Гольдмана-Ходжкина (потенциал покоя).

1. Функции и строение мембран.

В 30-х годах XIX века немецкие ученые ботаник Маттиас Якоб Шлейден (1804-1881) и биолог Теодор Шванн (1810-1882) установили клеточное строение всех растений и животных. Внутри клетки в гелеобразной массе цитоплазмы (в гиалоплазме, от 1реч. гиало - стекло) находятся:

• ядро, где с помощью молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) записана информация о строении, свойствах клетки и всего организма в целом,

• митохондрии - своеобразные энергетические станции, в которых происходит переработка энергии, образующейся при «сгорании» пищи в энергию АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты),

• эндоплазматическая есть, служащая для внутриклеточного транспорта веществ и другие органоиды.

Для выполнения своих функций клетка, как целое, отделена от внешней среды плазматической (клеточной) мембраной.

Мембранология - наука, изучающая строение и функционирование клеточных мембран, является центральной частью современной биофизики.

Функции мембран

1. Мембраны создают границу раздела между клеткой и окружающей се средой, между органоидом клетки и остальной цитоплазмой.

2. Мембраны обеспечивают активный транспорт веществ в направлении, противоположном градиенту электрохимического потенциала.

3. В мембранах митохондрий локализованы основные биоэнергетические процессы.

4. На мембранах происходит генерация биопотенциалов. Распространение нервного импульса мембранный процесс.

5. С участием мембран происходит рецепция: механическая, акустическая, обонятельная, вкусовая, зрительная и т.д.

Строение мембран

Б иологические мембраны состоят из молекул белков, фосфолипидов, воды и неорганических компонентов. Основа (матрица) мембраны - это молекулы фосфолипидов, рис. 1. Эти молекулы обладают удлиненной формой. Голова молекулы 1, имеющая фосфатную группу, полярная, поэтому она гидрофильная. Вследствие этого голова фосфолипидной молекулы хорошо контактирует с дипольной молекулой воды (Н₂О). К голове молекулы фосфолипида прикреплены две углеводные цепочки. Этот т.н. хвост обладает свойствами жиров и, следовательно, гидрофобен. Поэтому молекула фосфолипида дифильная.

В водном растворе молекулы фосфолипидов самопроизвольно собираются вместе, образуя двойной слой, рис.2. Гидрофильные головки располагаются на обращенных к воде сторонах двойного слоя, а гидрофобные хвосты направлены к середине (друг к другу) и вытесняют оттуда молекулы воды. Такая структура имеет меньшую энергию, чем хаотическое расположение молекул.

Толщина мембраны 6-10 нм (1нм =109 м).

В двойной фосфолипидный слой I встраиваются мембранные белки 2 и 3, играющие различную роль: транспортные каналы 3, различные АТФазы, рецепторы, белки, обеспечивающие синтез АТФ, перенос протонов и т.д.

Модельные мембраны

Для изучения строения и функционирования биомембран используются различные модельные системы.

1 . Монослои фосфолипидов на поверхности раздела вода - воздух, вода -масло, рис.3.

Такие системы используют для измерения физических и геометрических характеристик мембран: поверхностного натяжения, сжимаемости, площади, занимаемой молекулой фосфолипида (0,6-0,8 нм² ), и т.д.

2. Бислойные липидные мембраны (БЛМ), рис.4. Их изготавливают следующим образом. Капля раствора фосфолипидов в гептане помещается в отверстие в тефлоновой перегородке 1. После того, как растворитель стекает, образуется БЛМ.

С помощью БЛМ изучают: электросопротивление мембран, разность потенциалов, возникающую на мембране, ионную проницасмость мембран; роль лекарственных препаратов, втом числе механизм действия , например, антибиотиков, таких как валиномицин, ионофоров, например, грамицидина, монактина и др.

3. Липосомы - фосфолипидные пузырьки, рис.5.

Липосомы получают путем помещения сухих фосфолипидов в водно-солевой раствор, встряхиванием полученной смеси с одновременным облучением ее ультразвуком. Встраивая в ли-посомы соответствующие белки, можно выделить и изучать ту или иную функцию клеток.

Липосомы имеют практическое значение. Заполненные различными лекарственными веществами липосомы в суспензиях становятся в сотни раз более эффективны, чем при обычном приеме этих лекарств. Это происходит за счет того, что, встраиваясь в мембрану клетки, липосома непосредственно впрыскивает лекарственное вещество в цитоплазму. Например, для подавления листериоза у мыши необходимо 50 мг свободного пенициллина. При введении его в составе липосом хватает 0,5 мг.