Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

им. Н.Н. БУРДЕНКО"

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ

Методические указания

студентам по теме практического занятия

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ.

МЕХАНИЗМЫ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ.

Воронеж 2009

УДК	612.014.4 (071)
ББК	28.05я73
	Д532

Рецензенты:	Зав. кафедрой нормальной физиологии ВГМА им. Н.Н. Бурденко, д.м.н., профессор Яковлев В.Н.
	Зав. кафедрой медико-биологических дисциплин ВГИФК, к.б.н. Попова И.Е.

Д532	Дмитриев Е.В. Биофизика клетки. Механизмы транспорта веществ: метод. указания. – Воронеж: ВГМА, 2009. – 18 с.: ил.

Методические указания разработаны на основании примерных рабочих программ по медицинской и биологической физике (специальности: лечебное дело, педиатрия, медико-профилактическое дело), физике и биофизике (специальности: фармация, сестринское дело), рекомендованных Центральным методическим советом ВГМА. Содержат основные теоретические вопросы по данной теме и дидактические единицы для подготовки к занятию и самоконтроля. Предназначены для студентов I и II курсов лечебного, педиатрического, медико-профилактического, фармацевтического факультетов, МИМОС (лечебное дело), ИСО.

Печатается по решению Центрального методического совета ВГМА

(протокол №6 от 16.04.2009 г.).

	УДК 612.014.4 (071)
	ББК 28.05я73
	© ВГМА, 2009

ТЕМА: Биофизика клетки

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:

1. Овладеть необходимыми теоретическими знаниями в области мембранологии.

2. Выработать умения применять полученные знания для анализа конкретных физических явлений, наблюдаемых в биологических системах.

После изучения темы студент должен знать:

а) принципы организации, строение, физические свойства и функции клеточных мембран;

б) основные механизмы транспорта веществ через мембрану;

в) природу, механизм образования и способы распространения биоэлектрических потенциалов.

УМЕТЬ:

а) решать типовые задачи по количественному расчету процессов диффузии, осмоса, фильтрации;

б) проводить анализ и количественную оценку процессов, происходящих при формировании потенциала покоя и генерации потенциала действия.

МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ

Плазматическая мембрана является ключевым компонентом, обеспечивающим жизнедеятельность клетки, и многие патологические состояния связаны с изменением структуры и функциональных свойств биомембран. Вопросы селективного транспорта веществ важны для понимания принципов применения фармакологических препаратов в терапии. Процессы биоэлектрогенеза лежат в основе функционирования нервной системы, сердца, скелетной мускулатуры. Поэтому тема "Биофизика клетки" в рамках дисциплины "Медицинская и биологическая физика" необходима студентам для прохождения профессиональных дисциплин и дисциплин специальности.

Самостоятельная работа студентов во внеурочное время

Задание 1.

Изучить теоретический материал занятия, используя рекомендуемую литературу по следующей логической структуре учебного материала:

1. Современные представления об организации плазматической мембраны

а) жидко-кристаллическая мозаичная модель строения мембраны;

б) функции биологической мембраны;

в) подвижность компонентов биомембраны;

г) физические свойства биомембраны.

2. Селективный транспорт веществ

а) диффузия

– диффузия нейтральных и заряженных частиц через липидную фазу мембраны;

– диффузия веществ через мембранные поры и белковые каналы;

– облегченная диффузия

б) осмос

в) фильтрация

г) активный транспорт веществ

3. Биоэлектрогенез

а) мембранно-ионная теория возникновения потенциала покоя;

б) биофизические механизмы образования потенциала действия;

в) способы распространения биоэлектрических потенциалов.

Задание 2.

Подготовить реферативные сообщения на темы, полученные у преподавателя на предыдущем занятии.

Средства для самоподготовки студентов

во внеаудиторное время

1. Учебная и методическая литература

а) основная

– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 184-213.

– Физика и биофизика / Под ред. В.Ф. Антонова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – С. 180-271.

– Лекционный материал по теме "Биофизика клетки".

– Ремизов А.Н. Сборник задач по медицинской и биологической физике / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина. – М.: Дрофа, 2001. – С. 79-85.

б) дополнительная

– Самойлов В.О. Медицинская биофизика / В.О. Самойлов. – СПб.: СпецЛит, 2004. – С. 19-131, 262-314.

– Артюхов В.Г. Биофизика / В.Г. Артюхов, Т.А. Ковалева, В.П. Шмелев. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1994. – С.146-227.

– Физиология человека / Под ред. Г.И. Косицкого. – М.: Медицина, 1985. – С. 19-44.

2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).

Теоретический материал по теме занятия

Строение и физические свойства биологических мембран.

Клеточная (плазматическая) мембрана – ультратонкая пленка (4-13 нм) на поверхности клетки или внутриклеточных органоидов, ограничивающая их от внешних объектов.

В 1972 г. С.Дж. Синджером и Г.Л. Николсоном была предложена жидко-кристаллическая мозаичная модель строения мембраны: в основе мембраны лежит текучий фосфолипидный бислой, в который погружены свободно диффундирующие белки, образующие в нем своеобразную мозаику.

Фосфолипиды являются амфифильными соединениями – имеют полярную гидрофильную часть (несущую электрический заряд) и длинные гидрофобные фрагменты. Такие молекулы в водном растворе будут самопроизвольно ориентироваться в пространстве таким образом, чтобы гидрофобные углеводородные цепи были закрыты от воды. Образуются двухслойные липосомы (рис. 1). Это расположение термодинамически выгодно, поскольку соответствует наименьшему значению свободной энергии Гиббса. Если количественно преобладают фосфолипиды с одним хвостом (лизолецитин), то формируются однослойные мицеллы. В составе мембран сосредоточения таких молекул формируют поры (рис. 1), через которые осуществляется транспорт воды, ионов и т.д., поскольку внутренняя часть поры гидрофильна.

			
		мицелла			пора
		липосома
Рис. 1. Самоорганизация липидных молекул в водном растворе

Липиды, формирующие бислой мембраны, обладают достаточно высокой подвижностью и способны к:

 вращению вокруг собственной оси (поворот на 1 радиан за 10^–9 с);

 латеральной диффузии – хаотичное тепловое перемещение молекул липидов и белков в плоскости мембраны. Среднее квадратическое перемещение (S_кв) определяется по формуле Эйнштейна:

,

где D – коэффициент латеральной диффузии молекулы, t – время. Экспериментально S_кв можно определить методом флюоресцентных меток.

Частота перескоков молекулы рассчитывается по формуле:

,

где f – площадь, занимаемая одной молекулой в мембране.

 транс-переходам ("флип-флоп") – перемещение из одного монослоя в другой (среднее время перескока молекулы ≈ 1 час).

В физиологических условиях липиды мембран, находятся в жидком агрегатном состоянии, что обеспечивает относительную подвижность белковых молекул. Часть белков "заякорена" на структурах цитоскелета (микротрубочки и микрофиламенты) и их диффузия затруднена. Кроме того, липидный бислой содержит особые домены – рафты (от англ. плот, паром), которые обладают высокой плотностью, упорядоченностью, включают в себя мембранные белки и диффундируют в плоскости мембраны как единое целое.

Белковые молекулы имеют различную степень погруженности в липидную фазу. Различают: поверхностные белки, полупогруженные, погруженные (интегральные).

Углеводы, входящие в состав мембран химически связаны с белками или липидами.

Общие функции биологической мембраны:

 структурная – обеспечивает автономность клетки и внутриклеточных компартментов;

 барьерная – осуществляет селективный транспорт веществ;

 матричная – обеспечивает оптимальное расположение белковых ансамблей (например, ЭТЦ митохондрий);

 сигнальная – связывает информационные молекулы (например, гормоны) и выступает триггером дальнейших внутриклеточных событий.

Наряду с этим клеточные мембраны выполняют функции, зависящие от специализации клеток (генерация и проведение нервного импульса, мышечное сокращение, окисление субстратов и т.д.).

Физические свойства мембран.

Жидкокристаллическая структура мембраны чрезвычайно чувствительна к действию физических факторов среды. При снижении температуры происходит фазовый переход в твердокристаллическое состояние (гель), при этом меняются характеристические свойства мембраны (рис. 2). Увеличивается плотность гексагональной упаковки фосфолипидов (для лецитина от 0,6-0,8 нм² до 0,46-0,48 нм²) и толщина мембраны (от 3,9 нм до 4,7 нм). В физиологических условиях текучесть мембраны уменьшается при повышении содержания в ней холестерина, ионов кальция, магния. Фазовые переходы подчиняются закону "все или ничего" – при плавном изменении действующего фактора физико-химические свойства мембраны изменяются скачкообразно.

Рис. 2. Фазовые переходы мембран.

Отдельная жирнокислотная цепь в жидкокристаллической мембране может принимать множество различных конфигураций за счет вращения одинарных С–С связей. В твердом бислое молекулы принимают полностью транс-конформацию и возможны лишь небольшие колебательные движения:

– полностью транс-конформация

В жидком бислое возможны тепловые движения, сопровождающиеся транс-гош-переходами:

– транс-гош-конформация

Расположенные рядом гош-конформации могут образовывать в бислое полости – кинки (от англ. kink – петля), в которые могут попасть молекулы из внемембранного пространства. Последующее изменение конформации цепей приводит к движению кинка и перемещению вещества в продольной или поперечной плоскости мембраны (рис. 3)

Рис. 3. Движение кинка с веществом.

Для биологической мембраны характерен трансмембранный биопотенциал – разность потенциалов на внутренней и наружной сторонах. Его величина составляет ≈ – 60-90 мВ. Вследствие малой толщины мембраны напряженность электрического поля достигает 6-910⁶ В/м. Емкостные свойства мембраны как конденсатора составляют 0,5-1,3 мкФсм^–2.