Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Классификация ионных каналов по способу регуляции 1-потенциал-чувствительные; 2-хемочувствительные (рецептор- управляемые); 3-АТФ–чувствительные; 4-кальций-зависимые. Натриевые и калиевые каналы Размеры ионных каналов меньше одного нм (02-04 нм). Эти структуры обеспечивают важнейшие электрофизиологические свойства клеток и тканей, обеспечивая прохождение в 1с 10 6 -10 9 ионов, регулируются мембранным потенциалом и БАВ. Через ионные каналы Na + и K + следуют совместно с одной молекулой воды – гидратной оболочкой, хотя в растворе у иона таких оболочек может быть несколько (до 10). Таким образом, при прохождении через ионный канал происходит дегидратация катиона, на что требуется энергия. Роль этой энергии выполняет градиент ионов, так как ионный транспорт относится к пассивному виду переноса веществ через мембрану. В 85 процессе переноса катионов должны выполнятся два основных условия (фактора): 1. Стерический – совпадение размеров катиона+гидратная оболочка с размерами канала. 2. Энергетический – взаимодействие катиона с карбоксильными (ОТРИЦАТЕЛЬНО заряженными группировками самого канала). Кальциевые каналы Кальциевые каналы делятся на потенциал-зависимые и рецептор– управляемые. Они находятся в плазменной мембране всех электровозбудимых клеток: сердечная и гладкая мышца, мышечные волокна членистоногих, нервная клетка (соматическая, дендрита), эндокринные и иммунные клетки и т.д. В нормальных условиях внутри клетки [Ca 2+ ] in = 10 –7 - 10 –6 M Через кальциевый канал проникают только двух валентные катионы в соответствии с рядом: pKBa 2+ > pKSr 2+ > pKCa 2+ > pKCo 2+ > pKNi 2+ > pKCd 2+ Из этого ряда следует, что эти катионы в отношении их взаимодействия с кальциевым каналом образуют непрерывный ряд и этот ряд совпадает с рядом их связывания с карбоксильной группой. Предполагают, что селективный фильтр кальциевого канала содержит карбоксильную группу. Все двух валентные катионы, которые связываются с этой группой слабее, чем кальций, проникают лучше (Ba + и Sr + ). Катионы, которые связываются с этой группой сильнее, чем кальций являются блокторами кальциевых каналов (Co 2+, Ni 2+, Cd 2+ ). Регулирующий центр кальциевого канала, как считают, располагается у устья, где есть связывающая структура, которая взаимодействует с двухвалентными катионами. В бескальциевом растворе (с добавлением хелаторов Са 2+ ЭГТА, ЭДТА) происходит модификация кальциевого канала: они сохраняют потенциал- зависимость, но теряют селективность и пропускают ионы натрия. По- видимому, в отсутствии ионов кальция устраняется селективный фильтр у устья канала. В нормальных условиях с этой структурой связан кальций, и в этих условиях канал сохраняет обычную избирательность по отношению к двухвалентным катионам. Если же ионы кальция удаляются из этого центра, то наступает конформационная перестройка канала, что ведет к потере его избирательности, и он начинает работать как обычный натриевый канал. Модель Х 1 иХ 1 для натриевых и калиевых каналов применяются и к кальциевым каналам (перемещением заряженной частицы) Проводимость (g) для кальциевого канала также зависит от активационной (m) и инактивационной частиц (h): g Ca = g Ca m 2 h (для натрия m 3 ) Ионный ток по закону Ома: 86 I Ca =g Ca m 2 h (E – E Ca ) Если натриевый ток – быстрый входящий ток, то активация кальциевых каналов происходит медленнее, чем натриевых каналов. Кальциевый ток во многих электровозбудимых клетках недостаточно велик для того, чтобы самостоятельно (без натриевого тока) обеспечить регенеративный потенциал действия. Поэтому имеются мембраны, где именно кальциевые каналы обеспечивают входящий кальциевый ток, а передний фронт потенциала действия создает мощный натриевый ток, который обеспечивает деполяризацию мембрану. Эта деполяризация и активирует кальциевые каналы во многих клетках. Процесс инактивации кальциевых каналов более сложный, чем натриевых каналов. У натриевых каналов происходит инактивация вследствие деполяризации мембраны, у кальциевых инактивация зависит от силы кальциевого тока. Чем выше I Ca , тем быстрее инактивация, которая развивается в результате увеличения внутриклеточной концентрации ионов кальция [Ca 2+ ] in. Если [Ca 2+ ] in приблизительно достигает 10 –7 - 10 –6 М, то проводимость кальциевого канала обратимо подавлена. Регуляция и модуляция активности кальциевых каналов может производиться многочисленными способами (факторами). На их активность могут влиять циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ) и другие продукты метаболизма клетки. Условно кальциевые каналы подразделяют на: медленные: 1. порог активации – 30мВ 2. двухфазная инактивация 3. блокирование производными 1,4-дигидропиридина быстрые: 1. порог активации – 70 – 60 мВ 2. быстрая инактивация 3. отсутствие чувствительности к 1,4дигидропиридинам Активный транспорт Перенос иона в процессе активного транспорта осуществляется транспортными АТФ–фазами, энергозависимой лимитирующей стадией которого, является гидролиз АТФ. Так происходит первично-активный транспорта. Если же перенос веществ обеспечивает энергия, обусловленная градиентом ионов, созданным в ходе первично-активного транспорта, то это – вторично-активный транспорт. С его помощью осуществляется перенос сахаров и аминокислот за счет энергии, обусловленной градиентом ионов, чаще натрия, созданного первично – активным транспортом. Функциональное значение активного транспорта определяется тем, что он осуществляет неравномерное распределение ионов между клеткой и средой – для большинства тканей концентрация внутриклеточного калия 87 больше, чем внеклеточного, а концентрация внутриклеточного натрия меньше, чем внеклеточного. Поддержание постоянного ионного состава клетки обеспечивает ионный гомеостаз, необходимый для осуществления жизненноважных градиентзатратных процессов. Первично-активный транспорт отличает одновременное использование источника энергии – АТФ и транспорт ионов. Поэтому все ионные насосы (транспортные АТФ-азы) являются одновременно ферментами, гидролизующими АТФ – АТФ-азами. Все транспортные АТФ-азы прокариотических и эукаритических клеток делятся на 3 типа: P-тип, V-тип, F-тип. АТФ-азы P-типа являются примером осуществления обязательной стадии фосфорилирования и дефосфорилирования, сопряженной со структурными переходами белков, то есть образования ковалентного фосфорилированного промежуточного продукта (фосфомедиата). К АТФ-зам цитоплазматической мембраны этого типа относятся: Na, + K + – АТФ-аза Ca 2+ –АТФ-аза H + – АТФ-аза плазматическая мембрана эукариот. Внутриклеточные АТФ-зы P–типа: Ca 2+ – АТФ-аза эндо-(сарко) плазматического ретикулума эукариот. К + – АТФ-аза наружных мембран прокариот. Устроены довольно просто, действуют как насос. Ранее АТФ-азы Р – типа назвали ферментами Е 1 /Е 2 типа. Переименовали их потому, что есть АТФ-азы, не имеющие отношения к транспорту ионов, но они функционируют, находясь в Е 1 и Е 2 конформациях (ZB миозиновая АТФ-аза). АТФ-азы V-типа находятся в мембранах в вакуолях дрожжей, в лизосомах, эндосомах, секреторных гранулах животных клеток (Н + –АТФ- азы). Они наименее изучены. АТФ-азы F-типа находятся в мембранах бактерий, в хлоропластах, митохондриях. Образованы: 1. Водорастворимой частью – F 1 , которая состоит из нескольких субъединиц и обладает каталитической активностью. 2. Гидрофобная часть F 0 , участвующей в транслокации водорода. Особенностью АТФ-азы F-типа является способность производить энергию АТФ в ответ на перенос протонов водорода. Задачи по IV – VI разделам 1. Чему равен поток формамида через плазматическую мембрану Chara ceratophylla толщиной 8 нм, если коэффициент диффузии его составляет 88 1,4 10 -8 см 2 с -1 , концентрация формамида в начальный момент времени снаружи была равна 2 10 -4 М, а внутри в 10 раз меньше. 2. Бислойная липидная мембрана (БЛМ) толщиной 10 нм разделяет камеру на две части. Поток метиленового синего через БЛМ постоянен и равен 3 10 -4 М см/с, причем концентрация его с одной стороны мембраны равна 10 -3 М, а с другой – 2 10 -3 М. Чему равен коэффициент диффузии этого вещества через БЛМ? 3. Определите коэффициент диффузии в воде эритрола, если среднее смещение его молекулы составляет 40 мкм. 4. Найдите коэффициент проницаемости плазматической мембраны Mycoplasma для формамида, если при разнице концентраций этого вещества внутри и снаружи мембраны, равной 0,5 10 -4 М плотность потока его через мембрану равна 8 10 -4 М см/с. 5. Толщину двойного слоя на границе мембрана-электролит характеризует дебаевский радиус экранирования . Определите для случая, когда в растворе электролита, окружающем мембрану, есть только ионы калия в концентрации: 1) 10 -5 М; 2) 10 -2 М. 6. Найдите дебаевский радиус экранирования, создаваемого присутствующими в растворе ионами кальция с концентрацией 10 -5 М и натрия с концентрацией 10 -4 М. Как изменится , если в растворе будут только ионы кальция в концентрации 10 -4 М? 7. Какова связь электродиффузии и электрофореза? Проанализируйте связь, исходя из основного уравнения электродиффузии. 8. Потенциал покоя нервного волокна кальмара равен –60 мВ, а потенциал действия +35мВ. Вследствие чего происходит такое изменение мембранного потенциала? 9. Какое из соединений, приведенных ниже, имеет наименьшую проницаемость через липидный бислой и почему: толуол, этанол, ионы кальция, калия? Приведите необходимые уравнения. 10. Определите равновесный мембранный потенциал митохондрий, если при 37 0 С внутри митохондрий рН = 9, а в окружающей среде 7? Температура окружающей среды равна 20 0 С. Тест–задания 1. Пути проникновения веществ в клетку: A. растворение в липидном бислое B. разрыв связей между молекулами липидов C. посредством специальных мембранных белков 2. Правила Овертона связывают проницаемость мембран для органических молекул A. с их молекулярной массой 89 B. с их подвижностью в липидной фазе C. с количеством полярных и неполярных группировок в молекуле 3. Полярные вещества проникают в клетку: A. путем растворение в липидном бислое B. путем разрыва связей между молекулами липидов C. посредством специальных мембранных белков - пор 4. Энергетический фактор проницаемости связан: A. С соотношением диаметра поры и кристаллического радиуса иона B. С жесткостью стенок поры C. С энергией гидратации иона 5. Соотношение энергии гидратации для одновалентных катионов: A. Li > Na > K > Rb > Cs B. Li < Na < K < Rb < Cs C. Li = Na = K > Rb = Cs 6. Локусы с малой силой поля обеспечивают прохождение иона через пору: A. В гидратированном виде B. В дегидратированном виде C. В виде соли 7. Локусы с большой силой поля обеспечивают прохождение иона через пору: A. В гидратированном виде B. В дегидратированном виде C. В виде соли 8. Методы исследования проницаемости мембран: A. Осмотический метод B. Калориметрический метод C. Индикаторный метод D. Электронно - микроскопический метод E. Радиоизотопный метод F. Метод измерения электропроводности 9. Понятие транспорта включает: A. Способность мембраны пропускать данное вещество B. Способ проникновения вещества через мембрану C. Кинетику проникновения вещества через мембрану 10. Транспорт, осуществляемый против градиента с затратой энергии макроэргов, называется: A. Активный B. Пассивный C. Электрогенный 11. Активный от пассивного вида транспорта отличается: A. направлением относительно градиента концентрации B. использованием энергии C. видом переносимых ионов 12. Перенос ион-транспортирующей системой двух ионов в противоположных направлениях называется: A. Унипорт B. Симпорт 90 C. Антипорт 13. Простая диффузия - это: A. Процесс самопроизвольного проникновения вещества через мембрану по градиенту концентрации B. Процесс самопроизвольного проникновения вещества через мембрану против градиента концентрации C. Процесс проникновения вещества через мембрану по градиенту концентрации с участием белка - переносчика 14. Облегченная диффузия - это: A. Процесс самопроизвольного проникновения вещества через мембрану по градиенту концентрации B. Процесс самопроизвольного проникновения вещества через мембрану против градиента концентрации C. Процесс проникновения вещества через мембрану по градиенту концентрации с участием белка - переносчика 15. Кинетика процесса диффузии вещества через клеточную мембрану описывается: A. Уравнением Коллендера - Берлунда B. Уравнением Фика C. Уравнением Бернулли 16. Кинетика процесса облегченной диффузии описывается уравнением: A. Фика B. Коллендера - Берлунда C. Михаэлиса - Ментен 17. Механизмы проникновения воды через клеточную мембрану: A. Через поры, сформированные интегральными белками B. Через структурные дефекты в мембране - кинки C. Посредством растворения в липидном бислое 18. Осмос - это движение воды через мембрану: A. В область меньшего гидростатического давления B. В область меньшей концентрации растворенных веществ C. В область большей концентрации растворенных веществ 19. Онкотическое давление - это: A. Осмотическое давление внутри клетки B. Компонент осмотического давления, обусловленный белками C. Осмотическое давление в клетках злокачественной опухоли 20. Фильтрация - это движение воды через мембрану: A. В область меньшего гидростатического давления B. В область меньшей концентрации растворенных веществ C. В область большей концентрации растворенных веществ Правильные варианты ответов 1. A, C 2. C 3. C 4. C 5. A 6. A 7. B 8. A, C, E, F 9. B 10. A 11. A, B 12. C 13. A 14. C 15. A 16. C 17. A, B 18. C 19. B 20. A 91 VII. ПАССИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Общие положения Пассивные электрические свойства биологических объектов определяются, в основном, омическими и емкостными характеристиками биологических мембран. Индуктивность не рассматривается в связи с ее ничтожным вкладом в сравнении с представленными характеристиками, в свойства биологических объектов. Принятые в виде эквивалентных электрических схем и обладая их основными характеристиками (Рис. 14), биологические объекты могут подчиняться основным законам действия постоянного электрического тока. Рис. 14. Эквивалентные электрические схемы биологических объектов Согласно закону Ома величина электрического тока (I) в проводнике прямо пропорциональна напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению (R): R U I В свою очередь, величина сопротивления рассчитывается по формуле: S L R , где: – удельное сопротивление; L – длина и S – площадь сечения проводника. Исходя из величины удельного сопротивления (в Ом см), объекты можно подразделить на: А. проводники – 10 3 ; Б. полупроводники – 10 4 10 10 ; В. диэлектрики – 10 10 Несмотря на наличие большого числа структур с высокой удельной проводимостью, биологические объекты, согласно обнаруженным величинам удельного сопротивления (10 6 -10 7 Ом·см), относятся к полупроводникам. Основной причиной этого противоречия является неоднородность биологических объектов, что затрудняет измерение их электропроводности. 92 Например, для определения сопротивления взвесей клеток Максвелл предложил следующую формулу: 2 1 1 1 r r r r 2 1 2 1 2 1 r r r r , где: r-удельное сопротивление всей суспензии, r 1 -удельное сопротивление дисперсионной среды, r 2 -удельное сопротивление клеток, – относительный объем, занимаемый дисперсионной фазой. Удельное сопротивление эритроцитов при измерениях достигало 10 12 Ом см, что характерно уже для диэлектриков. Действие постоянного электрического тока на биологические объекты. ЭДС поляризации При пропускании постоянного электрического тока через биологические объекты его величина с течением времени уменьшается, достигая уровень намного ниже исходного (Рис. 15). Рис. 15. Действие постоянного электрического тока на биологические объекты По оси абсцисс – время действия По оси ординат – сила тока Этот процесс связан с тем, что возникает электродвижущая сила /ЭДС/ поляризации обратного направления. Она будет источником тока, который можно измерить, отключив действующую ЭДС, и поменяв полярность амперметра. Величина этого тока падает с течением времени до нуля. Закон Ома в этом случае принимает вид: R t P U I ) ( |