Биофизика. Биофизика мембран. Навчальнометодичний посібник для викладачів для проведення занять студентів зі спеціальностей 12010001 Лікувальна справа
 Скачать 6.62 Mb.
|
|
III.Обговорення основних питань теми за наступними питаннями30 хв Вкажить відомі вам рівні організації білкової молекули та якими хімічними зв'язками вони стабілізовані? Поясніть, яку хімічну структуру має гліцерофосфоліпід. Проаналізуйте, яку роль відіграє амфіфільність молекул білків та липідів у стабілізації мембрани. Наведіть класифікацію білків по розташуванню в мембрані, вкажить їх основні функції. Обгрунтуйте, чому мембрану вважають рідким кристалом? Як ви вважаєте, яким чином хімічна структура липідів впливає на стан та проникливість мембрани? IV. Контроль знань (письмове опитування з теми) 15 хв. 1. До складу гліцерофосфоліпідів не входять залишки: А. спирту гліцерину В. жирних кислот Б. фосфорної кислоти Г. азотистих основ Д. сульфатної кислоти 2. Первинна структура білкової молекули представлена: А. ланцюжком В. складками Д. глобусом Б. спіраллю Г. фібрилою 3. Який рівень структурної організації білкової молекули зберігається при оборотній денатурації білка: А. первинна В. третинна Д. найвища Б. вторинна Г. четвертинна 4. Вкажіть тип взаємодії, який грає ключову роль при утворенні вторинної структури білкової молекули: А. водневі зв'язки В. гідрофобні взаємодії Б. сили Ван-дер-Ваальса Г. ковалентні зв'язки Д. пептидні зв'язки 5. Вкажіть тип взаємодії, який відіграє ключову роль у формуванні четвертинної структури білкової молекули на основі його третинної структури: А. водневі зв'язки В. гідрофобні взаємодії Б. електростатичні сили Г. пептидні зв'язки Д. сили Ван-дер-Вааальса 6. Молекула, яка має в складі гідрофобну і гідрофільну частини, називається: А. амфотерною В. аморфною Б. амфіфільною Г. гідроморфною Д. гігроскопічною 7. Оборотна денатурація білкової молекули пов'язана з: А. розривом ковалентних пептидних зв'язків Б. розривом білкової молекули на пептиди В. розкладанням білкової молекули на амінокислоти Г. порушенням слабких взаємодій в білковій молекулі Д. порушенням порядку амінокислот в білковій молекул 8. Вуглеводи мембрани знаходяться: А. на внутрішній її поверхні В. всередині бішару ліпідів Б. на зовнішній поверхні Г. в просвіті іонних каналів Д. між ліпідами внутрішнього шару 9. Основою мембрани є бішар, який утворений з 2 моношарів складом: А. ліпіди-ліпіди В. білки-білки Б. білки-ліпіди Г. ліпіди-вуглеводи Д. вуглеводи-білки 10. При збільшенні температури в'язкість мембрани: А. збільшується В. зменшується Д. з'являється Б. не змінюється Г. зникає 11. Всередину бішару мембрани звернені: А. головки фосфоліпідів В. хвостики фосфоліпідів Б. ланцюжка вуглеводів Г. головки і хвостики ліпідів Д. гідрофільні речовини 12. Найбільш рідко в мембрані відбувається наступний вигляд руху молекул: А. латеральна дифузія В. коливання молекул Б. обертання молекул Г. фліп-флоп Д. коливання ліпідів 13. Збільшенню в'язкості мембрани сприяє: А. включення до складу ліпідів ненасичених жирних кислот Б. включення до їх складу насичених жирних кислот В. зменшення ступеня однорідності ліпідного складу Г. збільшення температури мембранних компонентів Д. зниження кількості жирних кислот у ліпідах 14. При низьких температурах хвостики ліпідів переважно: А. знаходяться у витягнутому стані Б. утворюють вигини і кінкі В. знаходяться зовні мембранного бішару Г. переміщаються всередину клітини Д. утворюють гідрофільну зону бішару 15. Кінкі сприяють: А. упорядкуванню мембран В. латеральної дифузії ліпідів Б. транспорту дрібних молекул Г. збільшення в'язкості мембрани Д. транспорту макромолекул в мембранах 16. Модель будови мембрани Сінгера та Ніколсона (1972р) носить назву: А. рідкокристалічної В. твердо-рідинної Б. рідинно-мозаїчної Г. рідиннофазової Д. фазовоконтрастної 17. Інтегральні білки мембрани є: А. гідрофільними молекулами В. жиророзчинними молекулами Б. гідрофобними молекулами Г. амфіфільними молекулами Д. водорозчинними молекулами 18. Який тип взаємодії має виключно термодинамічні природу: А. водневі зв'язки В. пептидні зв'язки Б. електростатичні сили Г. гідрофобні взаємодії Д. сили Ван-дер-Вааальса 19. Вкажіть тип взаємодії, який визначає первинну структуру білкової молекули: А. водневі зв'язки В. гідрофобні взаємодії Б. сили Ван-дер-Ваальса Г. ковалентні зв'язки Д. електростатичні сили 20. Вторинна структура білкової молекули - це: А. ланцюжок В. фібрила Д. надструктури Б. спіраль Г. глобула V. Підведення підсумків заняття, домашнє завдання 10 хв.: Тема наступного заняття: «Активний і пасивний транспорт речовин у біомембранах» Питання для підготовки до заняття: 1. Поняття про пасивний та активний транспорт речовин в бiомембранах. 2. Вiльна дифузiя незаряджених молекул через бiомембрани. Закон Фiка. 3. Полегшена дифузiя незаряджених молекул в бiомембранах. 4. Дифузiя iонiв в бiомембранах. Рiвняння Теорела. Рiвняння Нернста - Планка. Iоннi канали мембрани. 5. Активний транспорт iонiв в бiомембранах. 6. Вторинно-активний транспорт речовин в бiомембранах. ЛІТЕРАТУРА: 1. Основи біофізики / / Навчальний посібник для студентів медичного факультету - Запоріжжя, ЗДМУ, 2011. 2. Ємчик Л.Ф., Кміт Я.М. Медична і біологічна фізика- Львів: Світ, 2003.-с.180-192. ТЕМА ЗАНЯТТЯ 3: АКТИВНИЙ ТА ПАСИВНИЙ ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН У БІОМЕМБРАНАХ АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ: Клітина – відкрита термодинамічна система, яка обмінюється речовиною, енергією зі середовищем. Транспортні процеси, що відбуваються в мембрані, регулюють об'єм клітини і підтримують її іонний склад на постійному рівні, зумовлюють іонні градієнти, потрібні для винекнення мембранного потенціалу, підтримання збудливості, а також транспортування деяких молекул та іонів. Знання зтеми «Транспорт речовин у біомембранах» необхідні для успішного засвоення наступних тем «Мембранний потенціал спокою», «Потенціал дії». ЦІЛІ ЗАНЯТТЯ: Класифікувати види транспорту речовин у біомембранах; Відокремлювати різні види пасивного транспорту; пояснювати їх основні відмінності; Характеризувати різні види пасивного транспорту на основі відповідних законів; Відокремлювати різні види активного транспорту і пояснювати їх основні відмінності. МАТЕРІАЛИ МЕТОДИЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ: 1. Матеріали для основної частини заняття: таблиці, схеми, малюнки, проблемні теоретичні питання зі збірника «Робочий зошит для самостійної роботи на практичних заняттях для студентів медичного факультету» 2. Матеріали для контролю знань: тестові питання для стандартизованого контролю знань студентів. 3. Матеріали для самопідготовки студентів: рекомендовані навчальні посібники, методичні вказівки для самостійної роботи студентів. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ: Оскільки внутрішня частина фосфолипидного бішару мембрани гидрофобна, вона являє собою непроникний бар'єр для більшості полярних водорозчинних молекул. Однак клітини повинні отримувати необхідні поживні речовини, виділяти продукти метаболізму, переносити іони як в цитоплазму, так і в навколишнє середовище. Тому в клітинах існують певні транспортні системи для переноса речовин через плазматичну мембрану. Ці системи забезпечують обмін речовин між вмістом клітини і зовнішнім середовищем. Розрізняють два основних типи транспорту речовин через мембрану. І. Пасивний транспорт речовин. Такий транспорт не вимагає додаткової витрати енергії. Його рушійною силою є концентрацією ційний або електрохімічний градієнти відповідної речовини (іона). При цьому речовина (або іони) переноситься через мембрану в певному напрямку: з середовища з більшою концентрацією в середу з меншою концентрацією або з середовища з більш високим електрохімічним потенціал в середу з меншим потенціалом. Існують такі основні види пасивного транспорту. 1. Вільна дифузія через фосфоліпідний бішар мембрани. 2. Полегшена дифузія за допомогою білків-переносників. 3. Полегшена дифузія іонів через канали мембрани. ІІ. Активний транспорт речовин. При даному виді транспорту речовини переносяться в сторону більш високої концентрації або вищого електрохімічного потенціалу. Цей процес протікає зі споживанням енергії клітинного метаболізму. У ньому беруть участь спеціальні мембранні переносники. Розрізняють такі типи активного транспорту. 1) Первинно активний транспорт. 2) Вторинно активний транспорт. ІІІ. Ендоцитоз і екзоцитоз - перенесення речовин в клітку або з клітки за допомогою спеціальних везикул. Даний процес пов'язаний з оборотними змінами структури мембрани. Вільна дифузія. Дифузією називається переміщення частинок речовини в неподвиж-ної середовищі під впливом градієнта концентрації, а в разі якщо частинкі мають електричним зарядом, - електрохімічного градієнта. При вільної дифузії частки розчиненої речовини в процесі переміщення залишаються у своїй первісній формі і не вступають в будь-який зв'язок з іншими молекулами. Кількісної мірою швидкості дифузії речовини є щільність його потоку  , де S- площа поверхні, через яку відбувається дифузія, - число молей, які переносяться через площадку за малий проміжок часу.Швидкість дифузії пропорційна рушійній силі дифузії, тобто градієнту концентрації даної речовини:  , де D- коефіцієнт дифузії, градієнт концентрації -  Негативний знак означає, що речовина переміщається в напрямку зменшення його концентрації. Величина D визначається рівнянням: , де U - рухливість частинок речовини в розчині, R- універсальна газова постійна, Т - абсолютна температура.Мембрана, що знаходиться на шляху потоку дифундуючої речовини, може суттєво впливати на швидкість вільної дифузії. Величина проникності мембрани визначається рівнянням:  , де D - коефіцієнт дифузії речовини в розчині, l - товщина мембрани; К - коефіцієнт розподілу речовини між мембраною і розчином, який характеризує ступінь його розчинності в мембрані. Використовуючи коефіцієнт проникності мембрани для визначеної речовини, можна наступним чином представити щільність дифузійного потоку через дану мембрану:  , де с1 і с2- концентрації речовини, що транспортується по обидві сторони мембрани. Його перенесення відбувається в бік більш низької концентрації. Здатність речовини здійснювати вільну дифузію через плазматичну мембрану залежить від розмірів його молекул і від їх розчинності в фосфолипидах. За допомогою вільної дифузії через плазматичну мембрану через бішар фосфоліпідів легко проникають молекули води. Вона проникна також для кисню і вуглекислого газу, а також інших нейтральних молекули малих розмірів. Способність дифундувати через мембрану великих нейтральних молекул залежить від розчинності в липідах. Швидко дифундують через мембрану такі речовини, як метанол, етанол. Полегшена дифузія нейтральних молекул відбувається в напрямку зменшення концентрації речовини (протікає без споживання енергії). Транспорт речовин відбувається за допомогою спеціальних мембранних-переносників - інтегральних білків плазматичної мембрани, які вбудовані в фосфолипідний бішар і певним чином орієнтовані. Речовина, що транспортується через мембрану, вступає у .тимчасове комплексне з'єднання з переносником. Полегшена дифузія відрізняється від вільної наступним чином: 1. Висока специфічність. Білки-переносники здатні відрізняти один від одного навіть близькі за структурою молекули, включаючи навіть стереоізомери. 2. Наявність феномену насичення. При підвищенні концентрації речовини його потік збільшується тільки до деякої граничної величини, яка визначається активністю системи перенесення. Подальше збільшення концентрації не приводить до прискорення дифузії. 3. Чутливість до певних речовин (інгібіторів), які гальмують процес перенесення. У деяких мембранах переносники здатні транспортувати частинки не тільки одного, але і двох різних речовин. Вони можуть пере-носити їх в одному і тому ж напрямку (симпорт) або в протилежних напрямках (антіпорт). Полегшена дифузія іонів. Фосфоліпідний бішар мембрани являє собою ефективний бар'єр для іонів. Вільному проникненню їх через мембрану перешкоджає електричний заряд і наявність гідратної (водної) оболонки. Іони здатні дифундувати тільки через спеціальні структури мембрани - так звані іонні канали. Якщо в розчині міститься будь-якої іон і існує його елек-трохіміческій градієнт, виникає процес дифузії. Він протікає у напрямку зменшення електрохімічного потенціалу даного іона. Щільність дифузійного потоку іонів визначається рівнянням Теорелла:  де U - рухливість іонів, С- їх концентрація,  електрохімічний градієнт.Описати щільність потоку іонів в процесі дифузії можна також за допомогою рівняння Нернста-Планка. З даного рівняння видно, що дана величина залежить від двох градієнтів: концентраційного і електричного.  Транспортна система полегшеної дифузії іонів - іонні канали мембрани. Більшість іонних каналів відрізняється своєю селективністю (вибірковістю) по відношенню до певних іонів: одні з них проникні для катіонів, інші - для аніонів. Деякі катіонні канали є високоселективними до одного виду іонів. Наприклад, існують натрієві, калієві і кальцієві канали. Усередині каналу знаходиться його вузька частина - селективний фільтр, який пропускає лише певний вид іонів. Іонна проникність каналів мембрани не є постійною (можуть бути у відкритому і закритиму стані). У цьому беруть участь певні атомні групи канальних білків, так звані «ворота» каналів. Відкривання каналу регулюється різними механізмами: зміною потенціалу (потенціал залежні), хімічними речовинами (лігандозалежні) і т. ін.. Активний транспорт здійснює перенесення речовин через мембрану у напрямку збільшення електрохімічного потенціалу, тобто в напрямку, протилежному пасивного транспорту. Таке перенесення вимагає витрати енергії. Тому активний транспорт пов'язаний з розщепленням сполук; багатих енергією (первинно актівний транспорт: іонні насоси: натрій - калієвий насос, кальцієвий насос, протонний насос), або використовує енергію, накопичену інший системою активного транспорту (вторинно активний транспорт). Натрій-калієвий насос - це складний інтегральний білок-переносник, який здійснює транспорт іонів натрію з цитоплазми в зовнішнє середовище, а іонів калію із зовнішнього середовища всередину клітини. Він має властивості ферменту, що розщеплює АТФ. В результаті цієї реакції вивільняється енергія, необхідна для активного транспорту іонів. Для роботи натрій - калієвого насоса може використовуватися тільки АТФ, яка знаходиться всередині клітини. (значна частина АТФ, яка синтезується клітиною). При розщепленні однієї молекули АТФ через переносяться через плазматичну мембрану з клітини три іона натрію і в клітину - два іона калію. ПЛАН ТА ОРГАНІЗАЦІЙНА СТРУКТУРА ЗАНЯТТЯ: І. Визначення актуальності, цілей заняття 5 хв. ІІ. Письмова самостійна робота студентів з «Робочим зошитом для студентів медичного факультету» 30 хв.: 1.Розгляньте рис. 1, на якому схематично показані різні види транспорту речовин через мембрану, і дайте відповідь на питання:  Рис.1 Які види транспорту зображені на схемі? Які з них відносяться до активного транспорту, а які - до пасивного? 1,2 – вільна дифузія, 3 – полегшена дифузія (пасивний транспорт), 4 – первинно активний транспорт (активний транспорт). Чому приплив енергії необхідний тільки у разі активного транспорту? Активний транспорт здійснюється проти градієнту концентрації ( з області меншої концентрації в область більшої). Чим відрізняються один від одного представлені на схемі види пасивного транспорту, і як ці відмінності показані на схемі? 1, 2 -вільна дифузія здійснюється через біліпідний шар а бо через пори, утворенні білковими молекулами. 3 – полегшена дифузія здійснюється білками – переносниками. 2. Розгляньте рис. 2, на якому представлені графіки залежності щільності потоку речовини через мембрану від концентрації молекул, які транспортуються при вільній дифузії і полегшеної дифузії. 2.1. Як змінюється потік речовини, що надходить у клітину шляхом полегшеної дифузії, залежно від концентрації транспортуються молекул? Чим зумовлені такі зміни? При підвищенні концентрації речовини його потік збільшується тільки до деякої граничної величини, обумовленої активністю системи переносу. Подальше збільшення концентрації не призводить до прискорення дифузії. Такі зміни зумовлені феноменом насичення. 2.2. За допомогою якого рівняння можна розрахувати потік речовини, що транспортується через мембрану клітини за допомогою полегшеної дифузії? 2.3. Перерахуйте основні подібності та відмінності полегшеної дифузії і вільної дифузії речовин. Схожість: здійснюється по градієнту концентрації ( з області більшої концентрації в область меншої). Відмінності: 1. Висока специфічність. 2. Наявність феномена насичення. 3. Чутливість до певних речовин (інгібіторів),які гальмують процес переносу. 2.4. Наведіть приклади полегшеної дифузії неелектролітів через мембрани клітин. Амінокислоти, моносахариди (глюкоза).  Рис.2 На рис. 3 представлена схема роботи білка-переносника. Розгляньте малюнок і дайте відповідь на питання:  Рис.3 3.1. Який вид транспорту здійснюється в даному випадку за допомогою білка-переносника? Полегшена дифузія. 3.2. Які речовини транспортуються через мембрану таким шляхом, і чому для їх перенесення необхідні транспортні білки? Амінокислоти, моносахариди (глюкоза). Поясніть, чи необхідна для здійснення представленого виду транспорту енергія АТФ? Полегшена дифузія – пасивний транспорт. Длявого здійснення енергія АТФ не потрібна. Розгляньте рис. 4, на якому схематично показано будову іонного каналу мембрани, керованого електричним полем.  Рис.4 4.1. Какой вид транспорту здійснюється через іонні канали мембрани? Полегшена дифузія електролитів 4.2.Какіе частинки транспортуються через канали? Чому для переміщення цих часток через мембрану необхідні канали? Дифузія іонів. Фосфоліпідний бішар мембрани являє собою ефективний бар'єр для іонів. Вільному проникненню їх через мембрану перешкоджає електричний заряд і наявність гідратної (водної) оболонки. 4.3.Перечісліте основні частини іонного каналу, вказані на малюнку відповідними цифрами. 1 - фосфоліпідний бішар; 2 - сенсор, що реагує на напруженість електричного поля; 3 - "ворота" іонного каналу; 4 - пора, заповнена водою; 5 - селективний фільтр 4.4. Яка роль селективного фільтра каналу? Селективністю (вибірковістю) по відношенню до певних іонам: одні з них проникні для катіонів, інші - для аніонів. Деякі катіонні канали є високоселективним до одного виду іонів. Наприклад, існують натрієві, калієві і кальцієві канали. Усередині каналу знаходиться його вузька частина - селективний фільтр, який пропускає лише певний вид іонів. Однак відомі й щодо неселективні катіонні канали, що дозволяють проходити навіть невеликим органічним катионам. 4.5. Яку роль виконують ворота каналу? Іонна проникність каналів мембрани не є постійною. Вони роблять переходи між відкритим і закритим станами. У цьому беруть участь певні атомні групи канальних білків, так звані «ворота» каналів. 4.6. Яка роль сенсора каналу? Він «відчуває» мембранний потенціал. 5.Схема, яка представлена на рис. 5, пояснює, як працює натрій - калієвий насос.  Рис.5 5.1. Чому транспорт іонів натрію та іонів калію в даному випадку є активним? Активний транспорт потребує витрат енергії. 5.2. Яку роль відіграють молекули АТФ у роботі насоса? Натрій - калієвий насос - це складний інтегральний білок-переносник, який здійснює транспорт іонів натрію з цитоплазми в зовнішнє середовище, а іонів калію із зовнішнього середовища всередину клітини. Він має властивості ферменту, що розщеплює АТФ (мембранна Na +-K +-АТФаза). У результаті цієї реакції вивільняється енергія, необхідна для активного транспорту іонів. Для роботи натрій - калієвого насоса може використовуватися тільки АТФ, що перебуває всередині клітини. На цю роботу витрачається значна частина синтезується клітиною АТФ. 5.3.Опішіте механізм роботи натрій - калієвого насоса (рис. 5). При розщепленні однієї молекули АТФ через переносяться через плазматичну мембрану в одному напрямку три іона натрію і в іншому - два іона калію. Цей цикл роботи натрій - калієвого насоса повторюється безперервно. 5.4. Перелічіть відомі Вам «насоси» в плазматичних мембранах клітин. Кальцієвий насос, протонний насос. 6. На рис. 6 схематично показаний один з видів вторинно-активного транспорту через плазматичну мембрану клітини.  Рис.6 Яка роль натрій - калієвого насоса в здійсненні вторинно - активного транспорту? Вторинно активний транспорт використовує для переносу речовин енергію, укладену у вже наявному електрохімічному іонному градієнті, який створюється одним з механізмів первинно активного транспорту., який споживає енергію і переносить певний іон через мембрану в зовнішнє середовище. В результаті тут підтримується більш висока його концентрація, ніж усередині клітини. Вона є рушійною силою, що направляє дифузію даного іона усередину клітини за допомогою мембранного переносника. З малюнка видно, що цей же переносник може транспортувати та інші речовини шляхом симпорта чи антипорта, здійснюючи тим самим його вдруге активний транспорт. Поясніть механізм переносу глюкози через плазматичну мембрану стінок кишечника вторинно-активним транспортом. Дифузійний потік іонів натрію направляється в клітку. Надходження натрію в неї відбувається шляхом полегшеної дифузії за допомогою мембранних переносників. Ці ж переносники приєднують до себе молекули глюкози. В результаті вона також надходить у клітину навіть тоді, коли її концентрація всередині клітини вища, ніж у просвіті кишки. 7. У цитоплазму клітини додали дінітрофенол (ДНФ) - речовина, яка пригнічує хімічні реакції, необхідні для синтезу АТФ. Через деякий час туди ж додали АТФ. На рис. 7 представлений графік результатів цього експерименту. Відповідайте на питання: 7.1. Як змінився вихід катіонів натрію з клітини після додавання в середовище ДНФ? Різко впав вихід катіонів натрію з клітини. 7.2. Чим пояснити це зміна? Для здійснення активного транспорту потрібна енергія, яка заключна у АТФ. 7.3. Як і чому додавання АТФ вплинуло на вихід катіонів натрію з клітини? Відновився первинно активний транспорт.  Рис.7 |