22 Строение и физические свойства биологической мембраны. Модели мембран.
Важной частью клетки является биологическая мембрана, ограничивающая клетку от окружающей среды, защищает ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствует генерации электрических потенциалов, участвует в синтезе универсальных аккумуляторов энергии АТФ в митохондриях и выполняет ряд других функций. Мембраны формируют структуру клетки и осуществляют ее функции. Многие заболевания (теросклероз, отравление и др.) связаны с нарушением структуры и функции мембран. Первая клетка появилась тогда, когда она смогла отграничится от окружающего мира мембраной. Внутриклеточные мембраны подразделяют клетку на ряд замкнутых отсеков, каждый из них выполняет определённую функцию. Толщина мембраны =10^-9 степени метра, ее можно рассмотреть лишь в электронный микроскоп.
Основу структуры мембраны представляет двойной липидный слой, молекулы которых состоят из полярных хвостов и неполярных гидрофобных головок. Двойной липидный слой образуется из 2-х монослоев липидов так, что хвосты направлены внутрь так обеспечивается наименьший контакт гидрофобных участков молекул с водой:
1) модель мембраны:
В настоящее время наибольшее распространение получила модель
предложенная в 1972 г. Синджером и Никольсом – жидкомазаичная модель:
1-поверхностные белки
2- полупогружённые белки
3-полностью погружённые белки
4-белки, формирующие ионный канал-5.
Мембраны не являются непосредетвенными структурами. Белки и липиды обмениваются местами, перемещающиеся вдоль и поперёк мембраны. Уточнения строения и свойств мембран стали возможными при использовании физико-клинических (искуственных) мембран.
1 - монослой фосфолипида на границах раздела вода-воздух, вода-масло
Если уменьшать площадь монослоя (а, б, в) то получается плотный монослой как в биологических мембранах.
2
- липосомы
- как
бы биологаческая мембрана полностью
лишенная
белковых молекул.
3
- билипидная мембрана
23Диффузия в жидкости. Уравнение Фика. Уравнение диффузии для мембран.
Диффузия - самопроизвольное проникновение молекул одного вещества между молекулами других.
Явление диффузии - важный элемент диффракционирования мембран. При диффузии происходит перенос массы вещества. В биофизике это называется транспорт частиц. Основным уравнением диффузии является уравнение Фика:
где I – плотность частиц при диффузии в жидкость.
D
– коэффициент диффузии.
Коэффициент 1/3 возник ввиду трехмерного пространства и хаоса в движении молекул (в среднем в каждом из 3-х направлений перемещается 1/3 часть всех молекул)
сигма - средняя длина свободного пробега молекул
тау -среднее время оседлой жизни молекул
С- массовая концентрация молекул
Х- перемещение молекул вдоль оси X
-
градиент массовой концентрации
Знак «-» показывает, что диффузия молекул происходит из области их большей концентрации в область меньшей концентрации.
Уравнение диффузии можно записать в виде:
n – концентрация молекул.
Градиент концентрации
R- универсальная газовая постоянная; Т- абсолютная температура градиент химического потенциала,
Тогда
С - концентрация частиц. А Эйнштейн показал, что D пропорционально Т. Дня биологических мембран уравнение Фика имеет вид:
- концентрация
молекул внутри клеток
- коэффициент
проницаемости
l – толщина мембраны.
24 Перенос ионов в электролитах. Уравнение Нернста Планка и его выражение для мембраны.
На мембране существует разность потенциалов, значит в ней есть электрическое поле. Она оказывает влияние на диффузию заряженных частиц (ионов и электронов).
В общем случае перенос ионов через мембрану определяется двумя факторами: неравномерностью их распределения, т. е. градиентом концентрации, и воздействием электрического поля
- градиент потенциала.
Е – напряженность электрического поля.
- уравнение
Нернста-Планка
I - плотность потока вещества при диффузии
D - коэффициент диффузии;
- градиент
концентрации;
- постоянный
коэффициент;
R – универсальная газовая постоянная;
Т – абсолютная температура;
F=e* Na– число Фарадея;
е – заряд электрона;
Na – число Авагадро;
С – концентрация ионов.
Другая форма записи уравнения переноса ионов в электролитах:
Для мембран уравнение Нернста-Планка устанавливает связь между плотностью стационарного потока ионов (I), и
1) проницаемостью мембран для данного иона, которая характеризует взаимодействие мембранных структур с ионами;
2)электрическим полем;
3)концентрацией ионов в водном растворе, окружающем мембраны (С1 и С0)
- безразмерный
потенциал;
φм – потенциал мембраны;
l – толщина мембраны;
плотность потоков
ионов через биологическую мембрану -
25 Разновидность пассивного транспорта через мембрану. Понятие об активном транспорте.
Явления переноса молекул и атомов через мембрану при диффузии относятся к пассивному транспорту - ионы перемещаются из области большей их концентрации в область меньшей концентрации или перемещение ионов по направлению силы действующей на них со стороны электрического поля мембраны. Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии, он осуществляется в сторону меньшего электрохимического потенциала. Наряду с пассивным транспортом, в клетках осуществляется активный транспорт - перенос молекул и ионов в сторону больших концентраций (и большего потенциала). Системы мембран, способствующие созданию градиентов ионов калия и натрия получили название натрий-калиевых насосов. Простая диффузия подчиняется закону Фика для молекул; для нейтральных и заряженных частиц уравнение Нернста-Планка. В живой клетке они обеспечивают прохождение кислорода и углекислого газа. Ряд лекарственных веществ и ядов так же проникают через липидный слой, но уже по более сложной схеме. Но простая диффузия протекает медленнее и не сможет обеспечить клетку в нужном количестве питательными веществами. Есть и другие механизмы пассивного переноса: диффузия через канал (пору), облегченная диффузия (в комплексе с переносчиками). Диффузия через каналы описывается через диффузные уравнения (Фика и Нернста-Планка). Но каналы обладают селективностью (избирательностью), для разных ионов проницаемость разная. При облегченной диффузии через мембраны ионы и молекулы переносятся специальными молекулами – переносчиками. (валиномицин - антибиотик, переносит через мембраны ионы калия). Транспорт с помощью переносчиков осуществляется и в качестве эстафетной передачи.
При активном переносе ионы натрия активируют натрий–калиевый насос на внешней стороне мембраны, а ионы калия на внутренней. Активного переноса нет, если во внешней среде К+ из клетки не переносится Na+, если внутри клетки нет Na, то снаружи не переносится К+.
Натрий–калиевый насос переносит изнутри наружу 3 иона Na+, а снаружи внутрь 2К+. Внутренняя часть клетки имеет «-» потенциал покоя. Между внутренней и наружной частью мембраны создается и поддерживается разность потенциалов