Литература

• Рубин А.Б. Биофизика. Т 2. – М., 2000, с. 72-204

• Рубин А.Б. Лекции по биофизике. – М., 1998, Лекция 14-16

• Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, с. 8-111

• Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, с. 121-136, 147-172

• Волькенштеин М.В. Биофизика. – М., 1988, с. 341-354, 359-386

Занятие № 9

ТЕМА: Переносчики ионов и ионные каналы

Цель: Изучить физические принципы работы и строения систем, осуществляющих транспорт ионов через мембраны

Живые системы на всех уровнях организации - открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны - необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Методы исследования ионного транспорта через мембраны.

• Бислойные липидные мембраны, гигантский аксон кальмара.

• Микроэлектродная техника.

• Техника петч-кламп.

2. Вольтамперные характеристики.

• Токи через бислойную мембрану. Отклонения от линейности (по приближению Гольдмана) при высоких разностях концентраций ионов как следствие возникающей нелинейности распределения потенциала внутри мембраны.

• Блокаторы ионных каналов тетродоксин (натрий), тетраметиламмоний (калий).

• Два типа вольтамперных характеристик (постоянный ток) для мембран.

3. Переносчики ионов и каналы. Каналообразующие агенты. Зависимость проводимости от концентрации ионов.

4. Типы переносчиков: нейтральные, обменный транспорт, липофильные разобщители. Механизм переноса ионов.

5. Ионные каналы. Отличия вольтамперных характеристик калиевых и натриевых каналов.

6. Трехбарьерная модель ионного транспорта. Характер зависимости при лимитирующем центральном барьере и входе в канал.

7. Насыщение каналов. Однорядный характер транспорта при высоких концентрациях ионов.

8. Организация ионных каналов. Селективный фильтр.

Самостоятельная работа

Фермент Na⁺-K⁺-АТФаза в плазматической мембране эритроцита совершил шесть циклов. Какое количество ионов натрия и калия при этом было активно транспортировано? Сколько энергии было при этом израсходовано, если гидролиз одного моля АТФ сопровождается освобождением 33,6 кДж? Эффективность процесса энергетического сопряжения считать 100%.

Литература

• Рубин А.Б. Биофизика. Т 2. – М., 2000, с. 72-204

• Рубин А.Б. Лекции по биофизике. – М., 1998, Лекция 14-16

• Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, с. 8-111

• Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, с. 121-136, 147-172

• Волькенштеин М.В. Биофизика. – М., 1988, с. 341-354, 359-386

Занятие № 10

ТЕМА: Формирование и распространение сигнала в биологических мембранах

Цель: Изучить физические принципы формирования трансмембранных потенциалов и влияние характеристик среды на скорость распространения импульса

Одна из важнейших функций биологической мембраны - генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В медицине на исследование электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие. Практикуется лечебное воздействие на ткани и органы внешними электрическими импульсами при электростимуляции. В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов: 1) окислительно-восстановительные потенциалы - вследствие переноса электронов от одних молекул к другим; 2) мембранные - вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Чем определяется потенциал покоя (повторение, эквивалентная схема).

2. Вольтамперные характеристики каналов. Отличия от характеристик переносчиков при постоянном и переменном напряжении.

3. Регистрация токов через мембрану в условиях фиксации потенциала (экспериментальные предпосылки для теории Ходжкина-Хаксли).

4. Блокировка каналов – действие тетродоксина, тетраметиламмония.

5. Регистрация потенциала действия потенциал-зависимых натриевых и калиевых токов. Пороговость действия.

6. Динамика натриевых и калиевых токов.

7. Модель Ходжкина-Хаксли. Воротные механизмы каналов. Три открывающих и один закрывающий потенциал-чувствительных центра для натриевых (по характеру кривой тока во времени); четыре открывающих для калиевых.

8. Современная трактовка воротного механизма – потенциал-чувствительные конформационные перестройки.

9. Обнаружение воротных токов.

10. Распространение импульса – эквивалентная цепь с распределенными элементами. Телеграфное (кабельное уравнение).

11. Решение телеграфного уравнения для стационарных условий: падение напряжения в зависимости от толщины (радиуса) нервного волокна, сопротивления мембраны. Влияние миэлинизации на скорость распространения импульса.

12. Особенности потенциалов в кардиомиоцитах. Влияние кальциевых токов.

13. Инициация сигналов: хемичувствительные каналы (н-холинорецептор), возникновение автоколебаний – осциллятор Теорелла.

14. Контрольная работа: Трансмембранный транспорт.

Самостоятельная работа

Рассчитайте амплитуду потенциала действия, если концентрация калия и натрия внутри клетки возбудимой ткани соответственно: 125 ммоль/л, 1,5 ммоль/л, а снаружи 2,5 ммоль/л и 125 ммоль/л.