Физические процессы в биологических мембранах
Содержание:
1) Строение биологических мембран
2) Модели мембран
3) Физические свойства. Электроемкость
4) Пассивный транспорт (диффузия, облегченная диффузия, через каналы)
5) Скорость диффузии. Уравнение Фика
6) Перенос ионов через мембрану. Уравнение Нернста-Планка
7) Активный транспорт. Na-K-насос
8) Потенциал покоя. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца
9) Потенциал действия, фазы потенциала действия 10)Проведения нервного импульса по нервному волокну 11)Скорость проведения нервного импульса
Строение биологических мембран
Жидкостно-мозаичная модель строения биомембраны:
1.Фосфолипидный бимолекулярный слой составляет основу клеточной мембраны
2.Поверхностные белки
3.Интегральные белки
4.Полуинтегральные белки
5.Липиды и белки обмениваются местами и перемещаются вдоль плоскости мембраны – латеральная диффузия и поперек
– «флип-флоп»
Молекула липида
Гидрофильная Гидрофильные головка головки
Гидрофобные Билипидный хвосты слой
Углевод
Белки
Модели биологических мембран
Физические свойства биологических мембран
|
0,48 нм2 |
0,58 нм2 |
|
|
|
4,7 нм |
|
3,9 нм |
Повышение температуры
С
|
Жидко- |
|
Твердое |
кристаллическое |
|
состояние |
||
состояние |
||
|
Плавление |
|
|
липидов |
Т, К
Физические свойства биологических мембран
Клеточную мембрану можно рассматривать как плоский конденсатор, где роль пластин играют электролиты наружного и внутренних растворов с погруженными в них головками фосфолипидов. Роль диэлектрика выполняет двойной слой хвостов
Напряженность электрического поля в мембране составляет приблизительно 20х106 В/м
- Электроемкость мембраны |
||
ε – диэлектрическая проницаемость |
С уд=С - Удельная электроемкость |
|
липидного слоя мембраны (2-2,2) |
|
|
– связь напряженности поля с |
||
S – площадь поверхности мембраны |
||
d – толщина мембраны |
потенциалом поля |
|
Перенос молекул (атомов) через мембраны
Диффузия в однородной среде - явление самопроизвольного переноса массы вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Такой перенос называется пассивным транспортом.
Потоком вещества (Ф) через элемент поверхности, который перпендикулярен направлению диффузии, называется количество этого вещества, переносимого через данный элемент за единицу времени.
Ф= Ф=
[ Ф ]= |
кг |
[ Ф ]= |
моль |
|
с |
|
с |
x |
|
|
2 |
Среднее расстояние |
|
|
|
|
|||
Коэффициент диффузии |
|
Градиент концентрации |
между молекулами |
||
Ф=− |
=3 |
|
|
||
|
|
Время оседлой |
|||
|
|
|
|
жизни молекулы |
|
Площадь элемента поверхности, через которую идет поток
Перенос молекул (атомов) через мембраны
Плотностью потока вещества (J) |
||||
называется |
отношение |
потока |
||
вещества |
(Ф) |
через |
элемент |
|
поверхности |
к |
площади этого |
||
элемента (S): |
|
|
Ф |
|
|
|
|
= |
|
Плотность |
потока в |
однородной |
||
среде |
описывается |
уравнением |
||
диффузии (уравнением Фика):
с=−
Коэффициент распределения
вещества (К) - величина, равная отношению концентраций частиц в граничащих средах:
= 1
2
Коэффициент распределения вещества между мембраной и окружающей средой равен коэффициенту распределения вещества между мембраной и клеткой:
= м = мо
о
Перенос молекул (атомов) через мембраны
= |
м = |
мо |
м = |
||||
|
|
|
о |
|
|
||
|
= |
мо − м |
=− |
− |
|||
|
|
|
|||||
|
|
|
|||||
с=− |
= |
|
− |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
м =
P – коэффициент проницаемости
мембраны – характеризует способность мембраны пропускать те или иные ионы
[P] – м/с.
Уравнение Фика для мембран, описывающее пассивный транспорт незаряженных частиц:
с= ( − )
Jс – плотность потока незаряженных частиц, проходящих через мембрану Сi – концентрация частиц внутри клетки
Со – концентрация частиц вне клетки
Транспорт ионов через мембрану
=− =− |
|
0 |
|
|||
|
= |
S |
||||
|
|
|
|
|
||
0= =− |
Сила, действующая на 1 ион со стороны |
Ф |
||||
|
|
|
электрического поля мембраны |
|
||
=− |
|
|
Сила, действующая на 1 моль ионов со стороны |
|
||
|
|
|
электрического поля мембраны |
l=υt |
||
Ф= = |
= |
В общем случае перенос ионов определяется |
|
|
|
|||||
Ф |
|
|
двумя факторами: |
|
|
|
под |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
е= = =− |
Неравномерностью их распределения |
Воздействием электрического поля |
||||||||
F ≈ 96500 Кл |
(градиентом концентрации) |
|
(градиентом потенциала) |
|
||||||
= + =− − |
|
[ |
|
+ |
|
] |
||||
Уравнение Нернста-Планка: |
=− |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
