2 Биофизика клеточных мембран. Меббм азастан ресей медициналы университеті нуо казахстанско
 Скачать 298.76 Kb.
|
|
МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Тема: Биофизика клеточных мембран Цель: Проверить и закрепить знания об основных свойствах биологических мембран и их функциях. Освоить методику решения задач по данной тематике. Задачи обучения: Студент должен знать физико-химические особенности строения мембранных структур и механизмы их функционирования; биофизические механизмы транспорта веществ через мембрану, физические особенности взаимодействия света с биологическими структурами; студент должен уметь решать задачу Основные вопросы темы: 1. Общие представления о биологических мембранах. 2. Современные представление о структуре мембраны. 3. Модель Даниэля- Давсона, мозаическая модель, жидкостно-кристаллическая и др. 4. Основные функции биологических мембран. Методы обучения - Дискуссия по данной теме, решение ситуационных задач. Краткая теория Вся сложность изучения процессов жизнедеятельности организмов обусловлена не только сложными термодинамическими и кинетическими параметрами, отражаю- щими функциональные свойства живой материи, но и высокой структурностью живого организма. Структурной и функциональной единицей живого организма является клетка, которой присуще все основные жизненные функции. Клетка представляет собой открытую систему, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Все клетки состоят из цитоплазмы, окруженной плазматической (клеточной) мембраной. Основу структуры любой мембраны представляет двойной липидный слой, который состоит из двух монослоев липида. Липиды биомембран в основном представлены фосфолипидами. Эти соединения состоят из глицерина или сфингозина, к первому атому углерода которых присоединена фосфатная кислота, а один или два других этерфицированны остатками жирных кислот. Гидрофобные “хвосты” обоих слоев направлены внутрь. При этом обеспечивается наименьший контакт гидрофобных участков молекул с водой. Наиболее вероятна следующая гипотеза: мембрана имеет жидко-мозаичную структурут.е. фосфолипидная основа представляет собой двухмерный растворитель, в котором плавают белки (рис.1). Авторами были предложены различные модели строения мембран Еще в 1935 г. Даниэля и Давсон предложили так называемую унитарную модель биологической мембраны. Унитарная мембрана состоит из двойного липидного слоя, причем гидрофобные «хвосты» лнппдов обращены внутрь мембраны, а их «головы» выходят на поверхность, где они взаимодействуют с внешними мономолекулярными белковыми слоями (рис. 2). МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ молекула липида молекула белка полярная пора Рис.2 Схема строения клеточной мембраны Даниэля - Давсона на поверхности мембраны. Унитарная модель не раз модифицировалась. В настоящее время наиболее правдоподобной представляется мозаичная модель мембраны. Билипидный слой фигурирует и в этой модели. Действительно, искусственные липидные мембраны, имеющие двуслойное строение, оказались во многих отношениях сходными с биологическими мембранами. Искусственные мембраны получаются при контакте смеси фосфолипидов и нейтральных липидов, растворенных в органических растворителях, с водой. Мембрана по своей структуре напоминает плоский конденсатор, обкладки которого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный бислой. Используя формулу плоского конденсатора, можно оценить диэлектрическую проницаемость с гидрофобной и гидрофильной областей мембран, зная пределы изменения толщины мембраны. Мембранные липиды и белки обладают большой подвижностью, то есть, способны диффундировать вследствие теплового движения. Если перемещение их молекул происходит в пределах одного мембранного слоя, то такой процесс называется латеральной диффузией; если же их молекулы перемещаются из одного слоя в другой, то процесс называется «флип-флоп»-переход. Частота перескоков молекул вследствие латеральной диффузии равна A D 3 2 , где D - коэффициент латеральной диффузии;А - площадь, занимаемая одной молекулой на поверхности мембраны. Время оседлой жизни молекулы в одном положении обратно пропорционально частоте перескоков: D A 3 2 / 1 МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ При этом среднее квадратичноеперемещение молекул за время t составляет: Dt S 2 Мембраны имеют высокое удельное электрическое сопротивление (порядка 10 7 Ом*м) и высокую удельное емкость (приблизительно 0,5*10 -2 Ф/м 2 ). Диэлектрическая проницаемость мембранных липидов равна 2. Мембраны содержат большое число различных белков. Их количество так велико, что поверхностное натяжение мембраны ближе к величине поверхностное натяжения на границе раздела «белок-вода» ( м / Н 10 4 ), чем «липид-вода» ( м / Н 10 2 ). Концентрация мембранных белков зависит от вида клетки. Изучение клеточных структур началось с применения оптического микроскопа. Принцип его работы основан на явлении преломления света и на формировании изобра- жения с помощью оптической системы линз. Возможность непосредственного изучения биологических ультраструктур появилась после изобретения электронного микроскопа. Его разрешающая способность значительно выше, чем у светового микроскопа. Предел разрешения современных электронных микроскопов составляет 0,5-1 нм, а увеличение - сотни тысяч раз. Ход лучей в световом и электронном микроскопах в принципе одинаков. Но роль пучка света в электронном микроскопе выполняет поток электронов, а роль линз — электростатическое или электромагнитное поле. Исследования мембран методами инфракрасной спектроскопии, сиектрогюляриметрии, ЯМР и т. д. указывают на разнообразие белковых структур и на межбелковые взаимодействия, не учитываемые в унитарной модели. Установлено, что белки распределены в мембранах асимметрично (Бергельсон, 1970). Важные результаты получены методом скалывания в замороженном состоянии (freeze etching). Мембраны быстро замораживают при температуре жидкого азота и дробят в вакууме. Лед сублимируется, образец оттеняют, реплицируют платиной и углеродом и исследуют под электронным микроскопом. Выяснилось, что излом проходит вдоль внутренней гидрофобной области мембраны эритроцита. При этом обнаружились глобулярные частицы диаметром до 7,5 нм. Эти частицы — белки. Очень большое значение в изучении структур клетки и макромолекул имеет метод рентгеноструктурного анализа (дифракции рентгеновских лучей). Метод основан на явлении дифракции. Дифракция наблюдается в тех случаях, когда на пути лучей имеются препятствия, сравнимые по размерам с длиной волны лучей. Этот метод является одним из самых мощных методов, применяемых в области молекулярной биологии и при изучении ультраструктур. Его ценность состоит в том, что он дает возможность не только определять пространственное расположение молекул, но и точно измерять расстояние между ними и даже выявлять их внутримолекулярную организацию. Особое достоинство метода, обусловливающее его преимущество по сравнению с электронной микроскопией, заключается в том, что он позволяет анализировать структуру нефиксированных препаратов. Биологические мембраны выполняют в организме множество функций: они ограничивают клетку (так называемые цитоплазматические мембраны или плазмалемма) и клеточные органеллы, разделяя клетку на отдельные области (компартаменты), что позволяет поддерживать неравновесное состояние организма; формируют межклеточные контакты, обеспечивают механическую защиту клеток, избирательный и регулируемый транспорт веществ, проведение нервного импульса, участвуют в синтезе АТФ, обеспечивают оптимальное расположение в пространстве мембранных белков, МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ которые осуществляют ферментативные реакции, обеспечивают работу рецепторов, иммунной системы. Контроль Вопросы: 1. Мембранные белки. 2. Виды и функции мембранных белков. 3. Виды биологических мембран и их функции. 4. Химический состав мембран. 5. Виды мембранных липидов. 6. Свойства липидного монослоя. 7. Бислойные липидные структуры. 8. Латеральная диффузия и трансмембранные переходы. 9. Липосомы. 10. Проанализируйте формулу Фика. Литература 1. Көшенов Б.К., Сайбеков Т.С. Медицинская биофизика2014 г. 2. Сайбеков Т.С. Медицинская биофизика для Вузов и колледжей, А.: 2014 г. 3. Ремизов А.Н. Медициналық және биологиялық физика: оқулық / жауапты редактор Байдуллаева Г.Е., Мәскеу ГЭОТАР-Медиа 2019. 4. Антонов В.Ф., Козлова Е.К., Черныш А.М. Физика и биофизика: для студентов медицинских ВУЗов 2-ое изд., Москва ГЭОТАР-Медиа 2019. 5. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник 4-ое изд., Москва ГЭОТАР-Медиа 2018. Задачи для самостоятельной работы: 1. Рассчитайте время оседлой жизни и частоту перескоков из одного мембранного слоя в другой липидов мембран саркоплазматического ретикулума, если коэффициент латериальной диффузии D=45мм 2 /c, площадь, занимаемая одной молекулой фосфолипида А=1,9 нм 2 2. Рассчитайте среднее квадратичное перемещение молекул белков за 2с, если коэффициент латеральной диффузии для них составляет приблизительно 10 -12 м 2 /с. 3. Определить площадь пластин плоского воздушного конденсатора электроемкостью 1 нФ, если расстояние между пластинами 1 мм. |