- •Кафедра медицинской физики и информатики
- •Структура биологической мембраны
- •Физические свойства структурных элементов мембраны
- •Структурные элементы мембраны: фосфолипиды
- •Гидрофильная Гидрофобный
- •Хаотическое расположение молекул фосфолипидов и воды, связи между ними
- •Структурные компоненты мембраны: гликопротеины
- •Динамические свойства мембран
- •Транспорт веществ через мембрану
- •Виды транспорта:
- •Пассивная диффузия. Уравнение Фика.
- •Виды пассивной диффузии:
- •Виды транспорта при участии переносчиков:
- •Активный транспорт
- •Потенциал покоя.
- •Мембранный потенциал:
- •Потенциал действия.
- •График изменения мембранного потенциалов
- •III IV
- •Распространение потенциала действия по безмякотным нервным волокнам.
- •Сальтаторное распространение потенциала действия вдоль миелинового нервного волокна.
Структурные компоненты мембраны: гликопротеины
Гликопротеины – это сложные белки, к определенным аминокислотным остаткам которых присоединены разветвленные углеводные цепи. Примером гликопротеинов являются интегральные и периферические белки с углеводными цепочками: пептидоглюконы, фибронектин, гликофорин и др.
Наличие их в мембране ограничивает подвижность липидов, упорядочивает структуру, увеличивает вязкость, способствует образованию защитного покрывала и межклеточных контактов. Гликопротеины входят в состав мембранных рецепторов, участвуют в процессе молекулярного распознавания чужеродных белков, ответственны за иммунные реакции, присутствуют в мембране любой клетки, осуществляя ее взаимодействие с окружающей средой и обмен информацией между органеллами внутри отдельной клетки.
Динамические свойства мембран
Латеральная диффузия – перемещение молекул вдоль слоев. Коэффициент латеральной диффузии для липидов. Частота скачков молекул вдоль слоя, расстояние перемещения за времяt равно .
| |
Внутримолекулярная подвижность:
| |
Трансбислойное движение молекул (флип-флоп переход) – относительно медленный процесс-переход липида через мембрану требует в раз больше времени, чем латеральная диффузия на тоже расстояние. |
Физические свойства мембраны
Свойства мембраны |
Единицы |
Значение |
Толщина Поверхностное натяжение Относительная вязкость |
- |
6,0-10,0 0,03-0,1 30-100 |
Сопротивление Электрическая емкость Напряженность эл. поля
|
0,5-1,3
| |
Показатель преломления Проницаемость для воды |
- |
1,6 0,5-400 |
Транспорт веществ через мембрану
Транспорт веществ через мембрану является одной из важнейших ее функций.
Виды транспорта:
Пассивный транспорт – трансмембранное движение веществ, не требующее дополнительных затрат энергии. Причина движения – действие градиентов: концентрации – grad C, электрического потенциала – grad , давления – grad P и др. Направление движения в сторону уменьшения соответствующей величины – C, , P и т.д.
Активный транспорт – мембранный массоперенос, осуществляемый с дополнительными затратами энергии, выделяемой при протекании сопряженных ферментативных реакциях, поглощении энергии фотонов и т.п. Направление движения – в сторону увеличения концентрации. Выполняется специфическими белковыми структурами, локализованными в толще мембраны – насосами.
Сложные виды транспорта через мембрану – экзоцитоз и эндоцитоз. Массоперенос крупных молекул и частиц, сопряжен с изменением архитектоники мембран и затратами энергий.
Пассивная диффузия. Уравнение Фика.
Неравномерное распределение концентраций вещества в пространстве характеризуется наличием градиента концентрации , который является причиной возникновения потока вещества , определяемым законом Фика
П
или ,
направление
потока где D
– коэффициент диффузии
направление
градиента
Градиент концентрации: , направлен в сторону возрастания концентрации.
Знак «-» в уравнении показывает, что поток вещества при диффузии направлен в сторону уменьшения концентрации, т.е. в сторону, противоположную градиенту.
Электродиффузия:
Причинами электродиффузии является наличие градиента концентрации и градиента потенциала.
Суммарный поток вещества и зарядов описывает уравнение Нернста-Планка и уравнение Теорелла.
Уравнение Нернста-Планка описывает процесс массопереноса или потока ионов в случае наличия градиентов концентрации и электрического потенциала:
,
если учесть, что , то можно преобразовать уравнение:
Уравнение Теорелла описывает пассивный транспорт ионов с учетом градиента электрохимического потенциала:
Уравнение Фика, определяющее поток вещества через мембрану, учитывает проницаемость мембраны:
[м/сек]
С
внутри клетки
снаружи
клетки x
L L
– толщина мембраны
Рис. 10
или
Уравнение Фика для потока через мембрану