физика. 1 Клеточная мембрана определение, функции мембран, физические свойства. Клеточная мембрана
 Скачать 1.38 Mb.
|
|
1 Клеточная мембрана: определение, функции мембран, физические свойства. Клеточная мембрана – это ультратонкая пленка на поверхности клетки или клеточной органеллы, состоящая из бимолекулярного слоя липидов с встроенными белками и полисахаридами. Биологическая мембрана – функционально активная белково-липидная структура, образующая границу раздела между клеткой и окружающей средой или ограничивающая органоиды клетки Функции мембран: Барьерно-транспортная – обеспечивает селективный, регулируемый пассивный и активный транспорт. матричная – обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных ферментов относительно субстратов с целью реализации их оптимального взаимодействия. механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки и внутриклеточных структур генерация и проведение биопотенциалов рецепторная ферментативная – мембранные белки являются ферментами образование межклеточных контактов маркировка клетки – на мембране есть антигены, действующие как маркеры – «ярлыки», позволяющие распознать клетку Структура - двойной фосфолипидный слой. Гидрофильные головки фосфолипидов -в наружу, а гидрофобные внутрь мембраны. Мембрану пронизывают белки (интегральные и полуинтегральные). Над мембраной существует надмембранный комплекс – гликокаликс. Физические свойства Плотность липидного бислоя составляет 800 кг/м3, что меньше, чем у воды. Размеры. По данным электронной микроскопии, толщина мембраны (L) варьирует от 4 до 13 нм, причем различным клеточным мембранам присуща разная толщина. Прочность. Предел прочности на разрыв для мембраны низок. В условиях организма средние деформации составляют около 0,01 %. Чтобы довести мембрану до разрыва, достаточно внутреннего давления 100 Па. Живая клетка может осуществлять осморегуляцию только за счет изменения своей формы, но не за счет растяжения мембраны.
Деформируемость. Клеточная мембрана легко подвергается деформации сдвига. Мембрана обладает высокой гибкостью. При оценке механических свойств мембраны эффективный модуль упругости принимается равным 0,45 Па. Вязкость. Липидный слой мембраны имеет вязкость η = 30-100 мП (что соответствует вязкости растительного масла). Поверхностное натяжение равно 0,03-3 мНм-1, что на 2-3 порядка ниже, чем у воды (73 мНм-1). Коэффициент проницаемости мембранного вещества для воды равен 25-33х10-4 см/с. Диэлектрическая проницаемость мембраны составляет: для фосфолипидной области ε = 2,0-2,2; для гидрофильной области ε = 10-20. Электросопротивление 1 см2 поверхности мембраны составляет 102-105 Ом (что в десятки миллионов раз больше сопротивления внеклеточной жидкости или цитоплазмы). Электроизоляционные свойства мембраны значительно превосходят свойства технических изоляторов. Жидкокристаллическое состояние. Молекулы в мембране размещены не беспорядочно, в их расположении наблюдается дальний порядок. Фосфолипидные молекулы находятся в двойном слое, а их гидрофобные хвосты приблизительно параллельны друг другу. Есть порядок и в ориентации полярных гидрофильных головок. Физическое состояние, при котором есть дальний порядок во взаимной ориентации и расположении молекул, но агрегатное состояние жидкое, называется жидкокристаллическим состоянием.
2 Жидкостно-кристаллическая модель клеточной мембраны. Функции мембранных белков, липидов, углеводов. Латеральная диффузия и флип-флоп переход липидов. Искусственные мембраны. Липосомы, применение в медицине. Моделью организации на сегодняшний день признана жидкостно-кристаллическая модель. Впервые ее предложили Сингер и Николсон в 1972 г. Согласно этой модели основу любой мембраны составляет двойной фосфолипидный слой. Молекулы фосфолипидов ориентированы так, что их гидрофильные головки выходят наружу и образуют внешнюю и внутреннюю поверхности мембраны, а их гидрофобные хвосты направлены к середине бимолекулярного слоя. Белки как бы плавают в липидном слое. Поверхностные белки располагаются на внешней и внутренней поверхностях мембраны, удерживаясь преимущественно за счет электростатическими силами. Интегральные белки могут пронизывать двойной слой насквозь. Такие белки являются главным компонентом, ответственным за избирательную проницаемость клеточной мембраны. Кроме фосфолипидов и белков в биологических мембранах содержатся и другие химические соединения (холестерин, гликолипиды, гликопротеиды). При изменении температуры в мембране можно наблюдать фазовые переходы: плавление липидов при нагревании и кристаллизация при охлаждении. Фазовые переходы связаны с изменением энергии и поэтому могут быть обнаружены по увеличению теплоемкости с при изменении t. ЖК состояние бислоя имеет меньшую вязкость и большую растворимость различных веществ, чем твердого. Свойства липидного бислоя Текучесть (липидные молекулы могут перемещаться в плоскости монослоя) Асимметричность (состав внешнего и внутреннего монослоя отличается, что обеспечивает различные функции) Липид является растворителем для гидрофобных белков Гидрофобность (гидрофобные «хвостики» формируют гидрофобную зону внутри мембраны, что необходимо для протекания ряда важных метаболических процессов) Полярность (полярные «головки» образуют полярные внешние поверхности мембраны, обеспечивают контакт с водным содержимым цитоплазмы и внеклеточной средой) Функции липидов мембран Структурная - формируют липидный бислой – структурную основу мембран Служат «якорем» для мембранных белков Обеспечивают необходимую для мембранных белков среду Участвуют в регуляции активности ферментов Участвуют в передаче гормональных сигналов Функции мембранных белков Избирательный транспорт веществ в клетку и из неё Передача гормональных сигналов (рецепторная) Участие в эндоцитозе и экзоцитозе Участие в межклеточных контактах Ферментативная – катализируют ассоциированные с мембраной реакции Структурная – входят в состав биомембран Функции мембранных углеводов Рецепторная – надмембранный комплекс гликокаликс Антигены групп крови АВ0 Латеральная диффузия – это хаотическое тепловое перемещение молекул липидов и белков в плоскости мембраны. При латеральной диффузии рядом расположенные молекулы липидов скачком меняются местами и вследствие таких последовательных перескоков из одного места в другое молекула перемещается вдоль поверхности мембраны. Латеральная диффузия интегральных белков в мембране ограничена, это связано с их большими размерами, взаимодействием с другими мембранными белками. Белки мембран не совершают перемещений с одной стороны мембраны на другую ("флип-флоп" перескоки), подобно фосфолипидам. Искусственная мембрана обычно представляет собой жесткую селективно-проницаемую перегородку, разделяющую массообменный аппарат на две рабочие зоны, в которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси. Мембраны могут быть выполнены в виде плоских листов, труб, капилляров и полых волокон. Мембраны выстраиваются в мембранные системы. Наиболее распространенные искусственные мембраны — полимерные мембраны. При определённых условиях, преимущественно могут быть использованы керамические мембраны. Липосомы или фосфолипидные везикулы (пузырьки),состоящие из билипидной мембраны и полученные обработкой смеси воды и фосфолипидов ультразвуком. Представляют собой как бы биологическую мембрану,полностью лишенную белковых молекул. Получают обычно при набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании раствора липидов в воду. При этом происходит самосборка бимолекулярной липидной мембраны. При этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и ни один из них не соприкасается с полярными молекулами воды, однако чаще получаются сферические многоламеллярные липосомы, состоящие из нескольких бимолекулярных слоев – многослойные липосомы. Отдельные бимолекулярные слои многослойной липосомы отделены водной средой. Толщина липидных слоев составляет, в зависимости от природы липидов 6,5 – 7,5 нм, а расстояние между ними – 1,5 – 2 нм. Диаметр многослойных липосом колеблется от 60 нм до 400 нм и более. Липосомы не токсичны, полностью усваиваются организмом. Липосомы используют, например, для направленной доставки лекарственных средств (инсулин), изучения пассивного транспорта и малых молекул через липидный бислой (как модели) 3 Транспорт неэлектролитов через клеточные мембраны. Простая диффузия. Уравнение Фика. Облегчённая диффузия: механизмы, транспорта (подвижные, фиксированные переносчики), отличия от простой диффузии. Живые системы на всех уровнях организации – открытые системы, поэтому транспорт веществ через биологические мембраны – необходимое условие жизни. Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на 2 основных типа: пассивный и активный. Пассивный транспорт – это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением. Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и поэтому данный процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии, по градиенту концентрации. К пассивному транспорту относятся: простая диффузия, осмос, облегченная диффузия и фильтрация Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения молекул. Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика: Jm = -DdC/dx = -D(Cm2 – Cm1)/ L = D(Cm1 – Cm2)/L, где Cm – концентрация вещества в мембране около каждой поверхности, D – константа диффузии, L толщина мембраны. В биологических мембранах был обнаружен еще один вид диффузии – облегченная диффузия. Облегченная диффузия происходит при участии молекул-переносчиков. Облегченная диффузия происходит от мест с большей концентрацией переносимого вещества к местам меньшей концентрацией. По-видимому, облегченной диффузией объясняется также перенос через биологические мембраны аминокислот, сахаров и других биологически важных веществ. Отличия облегченной диффузии от простой: перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее; облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты; при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика. Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул-переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. Фильтрация – движение раствора в мембране под действием градиента давления. Скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля (объем жидкости, протекающей через твердую трубку в единицу времени, прямо пропорционален разнице давления между концами трубки и обратно пропорционален сопротивлению течения). Q=(P1-P2)/ R Осмос – преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. 4. Транспорт веществ через клеточные мембраны, виды транспорта. Электрохимический потенциал. Уравнение Теорелла. Уравнение Нернста-Планка. Смысл уравнений. Живые системы на всех уровнях организации – открытые системы, поэтому транспорт веществ через биологические мембраны – необходимое условие жизни. Транспорт веществ бывает двух видов: пассивный (по градиенту концентрации, без затрат энергии) и активный (против градиента концентрации, с затратами энергии) Большое значение для описания транспорта веществ имеет понятие электрохимического потенциала. Химическим потенциалом данного вещества называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на 1 моль этого в-ва. Математически химический потенциал определяется как частная производная от энергии Гиббса G по количеству k-го вещества, при постоянстве температуры Т, давления Р и количеств всех других веществ m1: м (мю) = (dG/dmk)Р,Т,m1 Для разбавленного раствора: м = м0 +RTlnC, где м0 – стандартный химический потенциал, численно равный химическому потенциалу данного вещества при его концентрации 1 моль/л в растворе. Для разбавленных растворов  где F = 96500 Кл/моль – число Фарадея, z – заряд иона электролита.Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на 2 основных типа: пассивный и активный. Пассивный транспорт – это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением. Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и поэтому данный процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии. Плотность потока вещества jm при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла: Jm = -UCdм/dx, где U – подвижность частиц, С – концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания электрохимического потенциала. Плотность потока вещества – это величина, численно равная количеству вещества, перенесенного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса: jm = m/S*t (моль/кВ.м*с) Подставив выражение для электрохимического потенциала, получим для разбавленных растворов при м0 = const уравнение Нернста-Планка: jm = -URTdC/dx – UСzFdф/dx. 5 Пассивный транспорт ионов. Ионный канал, виды, свойтсва. Молекулярная конструкция. Селективный фильтр. Механизм транспорта иона через ионный канал. Ио́нные кана́лы — порообразующие белки (одиночные либо целые комплексы), поддерживающие разность потенциалов, которая существует между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны всех живых клеток. Относятся к транспортным белкам. С их помощью ионы перемещаются согласно их электрохимическим градиентам сквозь мембрану. ИК состоят из белков сложной структуры. Белки ИК имеют определённую конформацию, образующую трансмембранную пору, и "вшиты" в липидный слой мембраны. Канальный белковый комплекс может состоять либо из одной белковой молекулы, либо из нескольких белковых субъединиц, одинаковых или разных по строению. Эти субъединицы могут кодироваться разными генами, синтезироваться на рибосомах по-отдельности и затем собираться в виде целостного канала. Домены - это отдельные компактно оформленные части канального белка или субъединиц. Сегменты - это части белкка-каналоформера, свёрнутые спирально и прошивающие мембрану. Практически все ИК имеют в составе своих субъединиц регуляторные домены, способные связываться с различными управляющими веществами (регуляторными молекулами) и за счёт этого менять состояние или свойства канала. В потенциал-активируемых ИК один из трансмембранных сегментов содержит специальный набор аминокислот с положительными зарядами и работает как сенсор электрического потенциала мембраны. ИК в своём составе могут иметь также вспомогательные субъединицы, выполняющие модуляторные, структурные или стабилизирующие функции. Один класс таких субъединиц - внутриклеточные, расположенные полностью в цитоплазме, а второй - мембранные, т.к. они имеют трансмембранные домены, прошивающие мембрану.  Свойства ионных каналов: Селективность - это избирательная повышенная проницаемость ИК для определённых ионов. Для других ионов проницаемость понижена. Такая избирательность определяется селективным фильтром - самым узким местом канальной поры. Управляемая проницаемость — это способность открываться или закрываться при определённых управляющих воздействиях на канал. Инактивация — это способность ионного канала через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать. Блокировка — это способность ионного канала под действием веществ-блокаторов фиксировать какое-то одно своё состояние и не реагировать на обычные управляющие воздействия. Блокировку вызывают вещества-блокаторы, которые могут называться антагонистами, блокаторами или литиками. Пластичность — это способность ионного канала изменять свои свойства, свои характеристики. Наиболее распространённый механизм, обеспечивающий пластичность — этофосфорилирование аминокислот канальных белков с внутренней стороны мембраны ферментами-протеинкиназами. |