7. Биофизика

7.1. Перечислите основные функции биологических мембран.

7.2. Перечислите названия основных молекулярных компонент биологических мембран.

7.3. Число жирнокислотных гидрофобных «хвостов», которыми обладают молекулы мембранных липидов, образующих липидный бислой в биомембране, равно ______.

7.4. Молекулы липидов в биологических мембранах образуют непрерывный двойной слой толщиной 5 нм, называемый ________________ .

7. 5. Белки, пронизывающие липидный бислой и контактирующие с водной средой с обеих сторон клеточной мембраны, называются ___________ белками.

7.6. ___________________ белки можно выделить из мембраны мягкими методами, например экстракцией солевым раствором, тогда как ______________ белки можно извлечь только при полном разрушении бислоя детергентами или органическими растворителями.

7.7. Подобно липидам белки способны вращаться относительно оси, перпендикулярной плоскости бислоя ( ___________ диффузия); многие из них могут двигаться в плоскости мембраны ( __________ диффузия), но они не могут перемещаться поперек бислоя путем ______________________________ .

7.8. Метод электронного парамагнитного резонанса, который очень полезен для изучения подвижности молекул липидов, требует введения в липиды ________, например, нитроксильного радикала.

7.9. Искусственные бислои, содержащие определенные липиды или смесь различных липидов можно получить либо в форме сферических везикул (пузырьков), называемых ___________, либо в форме плоских бислоев, называемых ___________ мембранами.

7.10. Электрическая емкость полярных головок фосфолипидов составляет C(1) = мкФ/см², а «жирнокислотные хвосты» фосфолипидов имеют емкость C(2) = мкФ/см². Определите электрическую емкость, приходящуюся на один квадратный сантиметр площади монослоя в мембране.

7.11. Электрическая емкость полярных головок фосфолипидов составляет C(1) = 34 мкФ/см², а «жирнокислотные хвосты» фосфолипидов имеют емкость C(2) = 0,6 мкФ/см². Определите электрическую ёмкость, приходящуюся на один квадратный сантиметр площади бислойной мембраны.

7.12. Чтобы небольшие полярные молекулы, например сахара, аминокислоты, а так же ионы могли проходить через мембрану клетки, необходимы особые белки, называемые _______________ белками, которые осуществляют их перенос.

7.13. Есть два больших класса мембранных транспортных белков: белки - ______________, которые специфически связываются с веществами, содержащимися в среде и изменяют свою конформацию, чтобы перенести эти вещества через мембрану; и белки - ____________, образующие в мембране заполненные водой поры, через которые определенные вещества могут пересекать мембрану в соответствии с электрохимическим градиентом.

7.14. Белки - _____________ образуют поры в мембране клеток эукариот; эти поры заполнены водой. Почти все эти белки в плазматической мембране эукариот осуществляют избирательный транспорт ионов и поэтому называются ________________.

7.15. Поступление веществ в клетку регулируется двумя основными транспортными процессами: _____________ транспортом, не требующим затрат энергии, и ____________ транспортом, при котором отдельные растворенные вещества проходят через мембрану в сторону увеличения концентрации.

7.16. Молекула глюкозы последовательно диффундирует через два диффузионных барьера с проницаемостями - первого барьера P(1) = 3 мкм/с, и второго P(2) = 3 мкм/с. Определите проницаемость для глюкозы всего диффузионного барьера в целом.

7.17. Молекула глюкозы последовательно диффундирует через два диффузионных барьера с проницаемостями - первого барьера P(1) = 1 мкм/с, и второго P(2) = 3 мкм/с. Определите диффузионное сопротивление для глюкозы всего диффузионного барьера в целом.

7.18. Определите толщину диффузионного барьера, если коэффициент диффузии молекул глюкозы для этого случая составляет 0,52·10^-5 см²/с, коэффициент распределения K = 7, а коэффициент проницаемости глюкозы по отношению к этому диффузионному барьеру равен 6·10^-6 см/с.

7.19. Происходит свободная диффузия молекул глюкозы в растворе. Спустя время t = 1 с после нанесения вещества в точку с координатой x₀ = 80 нм концентрация глюкозы в этой точке составила 1 ммоль/м³. Определите координату точки, в которой концентрация в этот момент времени окажется равной 0,37 ммоль/м³, если коэффициент диффузии глюкозы в растворе равен D = 0,5·10^-7 см²/с.

7.20. Определите среднее квадратичное расстояние, на которое переместится молекула фосфолипида в мембране за 90 мкс в процессе латеральной диффузии. Измеренный методом спиновой метки коэффициент латеральной диффузии для рассматриваемых молекул фосфолипидов составляет D = 2·10^-8 см²/с.

7.21. Определите коэффициент диффузии эритрозы в диффузионном барьере, если среднее квадратическое смещение молекул этого вещества составляет 20 мкм за 0,16 с.

7.22. Некоторое вещество за время t₁ = 2,0 с продиффундировало в растворе на расстояние x₁ = 19,0 нм. Определите расстояние, на которое продиффундирует это вещество за время t₂ = 1,2 с.

7.23. Некоторое вещество за время t₁ = 3,0 с продиффундировало в растворе на расстояние x₁ = 16,0 нм. Определите время, за которое это вещество продиффундирует на расстояние x₂ = 30,0 нм.

7.24. Определите плотность потока формамида через плазматическую мембрану Characeratophylla толщиной 8 нм в тот момент, когда концентрация формамида снаружи была равна 2·10^-4 , а внутри составляла 0,2 от этой концентрации. Коэффициент диффузии формамида в мембране равен 1,4·10^-8 см²/с. Концентрации заданы в мембране.

7.25. Неодинаковое распределение ионов по двум сторонам от плазматической мембраны приводит к возникновению на ней электрического потенциала, называемого, ________________. Он целиком зависит от существования __________ каналов, благодаря которым проницаемость мембран большинства животных клеток для ионов калия в 100 раз выше, чем для ионов натрия.

7.26. Градиент концентрации ионов вещества и мембранный потенциал составляют градиент ______________ потенциала для этого вещества.

7.27. С увеличением температуры абсолютная величина

равновесного потенциала Нернста __________________.

7.28. Известно, что условием термодинамического равновесия в физико-химической системе для потенциалобразующего иона может являться равенство парциальной энергии Гиббса (электрохимического потенциала иона) во всех точках. Получите формулу равновесного потенциала Нернста. Известна концентрация иона в воде по одну сторону полупроницаемой мембраны , по другую сторону мембраны . Температура постоянна ( ). Зарядовое число (Z).

7.29. Определите абсолютную величину равновесного мембранного потенциала на митохондриальной мембране, если при температуре 35 градусов Цельсия внутри митохондрии pH = 9 , а в окружающей среде pH = 6 и температура равна 19 градусов Цельсия. Считать, что потенциалобразующими ионами, в данном случае, являются ионы водорода.

7.30. Определите равновесный мембранный потенциал на полупроницаемой мембране, разделяющей водные растворы натрия при отношении концентраций ионов натрия по обе стороны мембраны 4:1. Температура растворов равнялась 20 градусов Цельсия.

7.31. Определите равновесный мембранный потенциал на полупроницаемой мембране, разделяющей водные растворы натрия при отношении концентраций ионов натрия по обе стороны мембраны 1:60. Температура растворов равнялась 20 градусов Цельсия.

7.32. Определите равновесный мембранный потенциал на полупроницаемой мембране, разделяющей водные растворы натрия при отношении концентраций ионов натрия по обе стороны мембраны 1000:1. Температура растворов равнялась 27 градусов Цельсия.

7.33. При температуре 34 градусов Цельсия абсолютная величина потенциала покоя нервного волокна конечности краба равна 85 мВ. Определите концентрацию ионов калия внутри волокна, если снаружи она составляет 13 ммоль/куб.м.

7.34. При соотношении концентраций однозарядных ионов по обе стороны полупроницаемой мембраны (10:1) потенциал Нернста оказался равным 40 мВ. Определите, соотношение концентраций, которое получится в случае полной замены одновалентных ионов на двухвалентные. Замена произведена так, чтобы потенциал Нернста, при той же температуре и прочих равных условиях, остался прежним.

7.35. Определите электрический заряд, приходящийся на один квадратный сантиметр площади бислойной липидной мембраны, если равновесный мембранный потенциал создан ионами калия при температуре 21 градус Цельсия, концентрация ионов калия с одной стороны мембраны равна 10^-3ммоль/м³, а с другой – 10^-5ммоль/ м³. Электрическая емкость мембраны составляет 0,5 мкФ/см².

7.36. С уменьшением температуры абсолютная величина стационарного потенциала Гольдмана-Ходжкина-Каца __________________.

7.37. Опыты с радиоактивными изотопами показали, что энергии распада одной молекулы АТФ достаточно для выкачивания наружу из клетки ______ ионов натрия и закачивания внутрь клетки _____ ионов калия.

7.38. За счет регулируемых электрическим потенциалом ионных каналов, имеющихся в плазматических мембранах, нервные и мышечные клетки могут проводить ___________, который представляет собой кратковременную самораспространяющуюся деполяризацию мембраны.

7.39. Известны четыре вида сдвигов, которые могут привести к открыванию или закрыванию ионных каналов, имеющих «ворота»: ___________, ______________, ___________ и ___________.

7.40. Изучение зависимости проводимости клеточной мембраны от мембранного потенциала производится с помощью техники ________ ____________.

7.41. Очень важный метод, при помощи которого можно изучать поведение отдельных каналов в клеточных мембранах, называют техникой ______ ______ ________.

7.42. Определите потенциал покоя на мембране аксона кальмара, если проводимость для ионов калия в 16 раз больше, чем проводимость мембраны для ионов натрия. Равновесный потенциал для ионов калия составляет –80 мВ, а равновесный потенциал для ионов натрия составляет +40 мВ.

7.43. В точке возбудимой мембраны с координатой X(0) = 0 мм удерживается трансмембранный потенциал U(0) = 12 мВ, являющийся допороговым для данной мембраны. Найдите координату x, в которой трансмембранный потенциал составляет U(x) = 4,41 мВ, если постоянная длины данной мембраны равна 0,5 мм.

7.44. В некоторой точке возбудимой мембраны скачком (мгновенно) изменился мембранный потенциал до величины 11 мВ, являющейся допороговой для данной мембраны. Определите величину потенциала в данной точке спустя 1 мс. Сопротивление, приходящееся на единицу площади мембраны равно 1 кОмּсм², а электроемкость, приходящаяся на единицу площади мембраны равна 1 мкФ/ см².

7.45. Определите отношение постоянной длины мембраны гигантского аксона кальмара к постоянной длины обычного безмиелинового нервного волокна, если радиус осевого цилиндра гигантского аксона кальмара превосходит радиус осевого цилиндра безмиелинового волокна в 3 раза.

7.46. Под действием внешнего электрического поля частотой 50 Гц и амплитудой напряженности E = 40 В/м находятся ткани головного мозга человека с удельной электропроводимостью γ = 0,21 См/м. Определите максимальную плотность тока проводимости в тканях мозга, если относительная диэлектрическая проницаемость тканей головного мозга на данной частоте равна 100000.

7.47. Пороговая величина плотности тока проводимости для наиболее возбудимых нейронов головного мозга человека составляет j = 0,1 А/м². Электрическая проводимость клеточных мембран нейронов в 1000 раз меньше электрической проводимости межклеточной жидкости. Суммарная удельная электрическая проводимость тканей головного мозга γ = 0,27 См/м. Относительная диэлектрическая проницаемость тканей мозга на низкой частоте равна 10⁵. Определите значение амплитуды напряженности электрической компоненты внешнего электромагнитного поля частотой 10 Гц, способного вызвать возбуждение нейронов головного мозга.