14. Биологические мембраны, их структура и функции. Физические свойства и параметры биомембран (толщина, жидкокристаллическое состояние, микровязкость, трансмембранный потенциал, электроемкость).

Биологические мембраны - тонкие пограничные структуры молекулярных размеров, расположенные на поверхности клеток и субклеточных частиц, а также канальцев и пузырьков, пронизывающих протоплазму.

Состоит из бислоя фосфолипидов, в который встроены (или присоединены) белки. Белки поверхностные, полуинтегральные и интегральные (трансмембранные). Углеводы (гликолипиды и гликопротеины) расположены на внешней поверхности цитоплазматических мембран.

Фосфолипиды и белки мембран – амфифильные молекулы(т.е. в них есть полярная и неполярная части).

Фосфолипиды состоят из:

Гидрофильной головки, которая имеет заряд «-» или «0».

Гидрофобного хвоста, который не заряжен.

Белки состоят из гидрофильной области и гидрофобной.

Функции мембран:

- механическое разделение клеток;

- матричная: липидный бислой является матрицей (структурной основой) для удержания белков и ферментов;

- барьерная: мембрана – селективная преграда для проникновения ионов и водорастворимых молекул;

- транспортная: через мембрану происходит перенос (транспорт) веществ.

Модели биологических мембран:

- монослой липидов;

- бислойная липидная мембрана;

- липосомы - самопроизвольно образующиеся в смесях фосфолипидов с водой замкнутые пузырьки. Их стенка состоит из одного или нескольких бислоёв фосфолипидов (слоёв толщиной в две молекулы), в которые могут быть встроены другие вещества (например, белки). Внутри липосом содержится вода или раствор.

Физические свойства и параметры мембран:

- толщина 4-13 нм;

- плотность билипидного слоя (меньше, чем у воды);

- мембрана – жидкий кристалл, т.к.:

а) жидкая, т.к. молекулы липидов способны передвигаться в мембране;

б) кристалл, т.к. остается упорядоченной структурой.

- вязкость липидного слоя (как у растительного масла).

Мембрана по структуре – это плоский конденсатор и резистор.

Обкладки конденсатора - водные растворы солей, омывающие мембрану.

Диэлектрик –липидный бислой.

Электроемкость мембраны:

Резистор - потоки ионов в мембране, трансмембранные белки.

Электрическое сопротивление бислойной липидной мембраны:

У биологических мембран:

Что связано с влиянием белков.

15. Перенос незаряженных молекул (атомов) через мембраны. Уравнение Фика и его выражение для мембраны. Коэффициент проницаемости мембран.

Важным элементом функционирования мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы и ионы. Существенно, что вероятность такого зависит также и от разновидностей проникающих молекул и ионов.

Перенос незаряженных молекул (диффузия) происходит через некую условную плоскость, и, чтобы найти плотность потока этого процесса, используют уравнение Фика. Но стоит отметить, что уравнение Фика выводится для однородных (гомогенных) сред и для, собственно, биологических мембран.

Уравнение Фика для гомогенных сред:

Где – плотность потока (количество молей вещества, перенесенных через единицу поверхности за единицу времени), – коэффициент диффузии (зависит от свойств жидкости, температуры, диффундирующих частиц), – градиент концентрации (вектор, направленный в сторону наибыстрейшего увеличения концентрации и равный ее производной в этом направлении).

Знак «-» показывает, что диффузия происходит из области с большей концентрацией в область меньших концентраций (т.е. против градиента концентраций).

Уравнение Фика для биологических мембран имеет вид:

Где – плотность потока (количество молей вещества, перенесенных через единицу поверхности за единицу времени), – коэффициент диффузии (зависит от свойств жидкости, температуры, диффундирующих частиц), - коэффициент распределения - величина, равная отношению равновесных концентраций вещества в граничащих средах (чем больше , тем лучше вещество растворяется в мембране и лучше через нее пройдет), – толщина мембраны, – концентрация молярных частиц внутри клетки, – концентрация молярных частиц вне клетки.

Окончательно уравнение записывают так:

Где – коэффициент проницаемости мембраны.

Для бислойных липидных мембран: