Kompendium_po_biofizike_1

Рисунок 26. Современная жидкостно-мозаичная модель мембраны

Согласно этой модели, структурную основу мембраны составляет двойной фосфолипидный слой, включающий в себя белки. Мембранные белки бывают двух видов – периферические (поверхностные) и интегральные (внедренные в липиды). Схематично данная модель представлена на рисунках 25 и 26.

Модели мембран (искусственные мембраны).

К модельным липидным мембранам относятся липосомы и плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ).

Рисунок 27. Трѐхмерное		Рисунок 28. Двумерное
изображение липосомы		изображение липосомы

Липосомы или фосфолипидные везикулы получаются при добавлении в воду фосфолипидов с последующей обработкой раствора ультразвуком. Под действием механических колебаний, вызванных ультразвуком, в воде происходит самосборка из молекул липидов конструкций сфероподобной формы, стенки которых образованы двойным липидным слоем (см. рисунки 27, 28-2), и 29). Липосомы представляют собой в некотором роде

81

прообраз клетки и служат моделью для исследования свойств клеточных мембран. В практической медицине липосомы используются в качестве микроконтейнера для доставки лекарственных препаратов к определенным тканям и органам. Так, например, инсулин, заключенный в капсулы из липосом, защищен от воздействия пищеварительных ферментов и поэтому может вводиться в липосомах перорально, что позволяет больным диабетом не применять болезненные уколы.

Плоские бислойные липидные мембраны – другой вид

		модельных				мембран.
		Технология		их		получения
		такова:	пластинку				из
		фторопласта		с	небольшими
		отверстиями				диаметром
		около 1 мм опускают в воду,
		затем в отверстие пластинки
		пипеткой		вводят			каплю
		раствора	липидов			в	спирте
	Рисунок 29. Самоорганизация
		(гептане		и		другом
	липидных структур.
		растворителе),			растворитель
	(Слева – липидный бислой, справа –
		диффундирует в воду, а в
	липосома)
		области	отверстия остается
		бимолекулярный					слой

толщиной около 6 мм (см. рисунок 28-1)). БЛМ, как и липосомы, используют для изучения физических свойств БМ, избирательной проницаемости, для моделирования мембранного транспорта.

3. Физические свойства и параметры мембран

Приведем некоторые физические свойства и характеристики биологических мембран.

Толщина мембраны составляет примерно 8-10 нм.

Общая площадь всех мембран очень велика, например, печень крысы имеет массу 6 г, а общая площадь ее мембран достигает сотен квадратных метров.

Диаметр "ионных каналов" или пор составляет 0,35 – 0,8

нм.

82

Мембрана представляет собой диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью от 2 до 6.

Электрическое сопротивление 1 см2 поверхности мембраны составляет 102 – 105 Ом, что в десятки миллионов раз больше сопротивления внеклеточной жидкости или цитоплазмы.

Мембраны митохондрий имеют на своих поверхностях разность потенциалов порядка 200 мВ. Тогда напряженность электрического поля в мембране равна Е = 200 10-3/8 10-9 = 25 106 В/м. В обычных диэлектриках искровой пробой происходит при гораздо меньших напряженностях полей.

Двойной фосфолипидный слой уподобляет мембрану конденсатору, электроемкость 1 мм2 мембраны составляет 5-13 нФ.

Вязкость мембран равна 30 – 100 мПа с, что на два порядка выше вязкости воды и сравнима с вязкостью подсолнечного масла.

Поверхностное натяжение составляет 0,03 – 1 мН/м, что на два-три порядка ниже, чем у воды.

Липиды и белки в мембранах не являются статическими объектами, а участвуют в диффузионных процессах:

латеральной диффузии – перемещение молекул в пределах плоскости мембраны;

диффузии «флип-флоп» – перемещение молекул в направлении, перпендикулярном плоскости мембраны.

БМ могут находиться в зависимости от температуры в двух фазовых состояниях – в жидкокристаллическом и гель-

состоянии, которое иногда условно называют твердокристаллическим. Температура, при которой осуществляется фазовый переход первого рода в БМ, получила название температуры или точки Крафта.

Для нормального функционирования БМ должна находиться в жидкокристаллическом состоянии. Температура фазового перехода зависит от химического состава БМ и может изменяться от -200С (в мембране содержится много ненасыщенных липидов) до +600С (мембраны с насыщенными липидами). Температура фазового перехода понижается при

83

увеличении числа ненасыщенных связей в жирно-кислотных хвостах молекул липидов.

4. Значение изучения транспорта веществ через клеточные мембраны. Классификация мембранного транспорта

Для поддержания жизни в клетке необходимо непрерывное поступлении веществ и одновременное выведение из нее продуктов метаболизма.

Исследование проницаемости БМ важно для изучения биоэлектрических процессов, для физиологии обмена веществ, патологии водного и минерального обмена организма, для изучения фармакологии и токсикологии. Многие патологические явления связаны с нарушениями проницаемости клеточных мембран.

Перенос вещества может происходить без затраты энергии клеткой (пассивный перенос, или транспорт) и за счет энергии,

выделяемой в клетке молекулами АТФ (активный транспорт).

5. Пассивный транспорт веществ и его разновидности. Математическое описание пассивного транспорта

Пассивный транспорт веществ через клеточные мембраны включает в себя следующие разновидности: фильтрацию,

простую диффузию и облегченную диффузию (см. рисунок 30).

84

	Пассивный
Простая	Фильтрация	Облегченная
диффузия		диффузия
	Осмос	С подвижным
		переносчиком
	Через	С фиксированным
	липидный бислой	переносчиком
	Через белковую
	пору
	Через липидную
	пору
Рисунок 30. Классификация видов пассивного транспорта

Простая диффузия – процесс переноса вещества из области с большей концентрацией в область меньшей концентрации. Диффузия описывается уравнением Фика:

J D gradC ,

85

где J − вектор плотности потока массы диффундирующего

вещества, направлен в сторону переноса,		J			m		− масса
				S		t

вещества, переносимая в единицу времени вследствие диффузии через выделенную единичную площадку, ориентированную перпендикулярно вектору плотности потока.

1кг

J 1м2 1с .

gradC − вектор градиента концентрации диффундирующего вещества, вектор градиента направлен в сторону возрастания концентрации, в декартовой системе координат выражение

gradC имеет вид:

	gradC	C	i	C	j	C	k .
		x		y		x

где i , j , k − единичные векторы, направленные вдоль осей

OX, OY, OZ. gradC	1кг	.
	4
	1 м

D – коэффициент диффузии, зависит от температуры и

	свойств диффундирующего вещества, D	1 м2	.
		с

Таким образом, вектор плотности потока вещества при диффузии направлен в сторону, противоположную вектору градиента концентрации диффундирующего вещества В медицинской литературе традиционно принято считать, что вектор градиента концентрации направлен в сторону уменьшения концентрации вещества. В дальнейшем изложении материала мы будем придерживаться этого нетрадиционного определения направления вектора градиента (еретичного для математической теории поля, в рамках которой было сформулировано понятие вектора градиента поля).

Если имеет место одномерная диффузия, т.е. перенос вещества осуществляется вдоль одной оси, например, оси ОХ, в выбранной системе координат, то уравнение Фика может быть представлено в скалярной форме:

86

	J x	D	dC
			dx

Уравнение Фика, адаптированное к условиям переноса вещества через биологическую мембрану посредством простой диффузии, имеет вид (см. рисунок 31):

Jx

D

C

D

Cm0 Cmi

D

kC0

kCi

D

k

(Ci

C0 ) P (Ci C0 ) ,

x

L

L

L

где

Сi

и C0 – концентрации диффундирующего вещества

внутри

и

вне

клетки.

Сmi

и

Cm0

–

концентрации

диффундирующего вещества внутри мембраны на границе мембрана − внутреннее содержимое клетки и мембрана − внешняя среда. L − толщина мембраны, D – коэффициент диффузии, k – коэффициент распределения молекул диффундирующего вещества, равный отношению концентрации молекул на границе мембраны и вне ее, P=Dk/L – проницаемость мембраны. Проницаемость мембраны определяется как свойствами диффундирующего вещества (коэффициентом диффузии), так и состоянием мембраны.

87

C	Мембрана
Сi
Cmi
	Наружная среда
Цито-
плазма
Cm0	C0
	X
L
Рисунок 31.Изменение концентрации вещества перед, в и за мембраной.

Электродиффузия. Диффузия заряженных частиц, ионов, через мембраны зависит не только от концентрационного градиента, но и от электрического градиента мембраны, то есть

от напряженности в ней электрического поля ( E

grad ,

Ex x ).

В связи с этим перенос ионов может происходить в направлении, противоположном градиенту концентрации.

Совокупность концентрационного и электрического градиентов называют электрохимическим градиентом.

Поток вещества при электродиффузии определяется уравнением Нернста-Планка:

J

D gradC

grad (векторная форма),

88

J x	D	C			(проекция векторных величин на ось ОХ),
		x		x

где − константа электрического переноса.

Облегченная диффузия. Путем простой диффузии в клетку поступают немногие вещества (например, кислород, СО2). Этот процесс протекает очень медленно и обусловлен лишь разностью концентраций этих веществ. Особенностью биомембран является их избирательность (селективность) по отношению ко многим переносимым веществам.

Селективность мембран обусловлена двумя причинами: наличием в них переносчиков, называемых ионофорами

(подвижных и фиксированных) и каналов.

Облегченная диффузия – процесс транспорта веществ с помощью специальных молекул-переносчиков. Например, на внешней стороне мембраны переносчик соединяется с некоторым веществом и проникает через мембрану. На внутренней стороне мембраны происходит отделение от вещества переносчика, который возвращается к внешней поверхности мембраны (см. рисунок 32). Рассмотренный пример облегченной диффузии относится к типу облегченной диффузии с подвижным переносчиком. Второй тип облегченной диффузии – диффузия с помощью фиксированных переносчиков. При диффузии с фиксированным переносчиком транспорт молекул переносимого вещества происходит с помощью неподвижных молекулпереносчиков (молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете).

89

Рисунок 32. Механизм облегчѐнной диффузии (перенос ионов калия с помощью валиномицина)

Фильтрация. Фильтрация представляет собой перенос молекул растворителя под действием градиента давления.

Таким образом, причиной и движущей силой в процессе фильтрации является разность давлений. Объем растворителя, перенесенного в результате фильтрации, определяется формулой Пуазейля:

V	R 4	p	t ,
	8	l
где p − перепад давления на		расстоянии l ,		− вязкость
жидкости, R − радиус поверхности фильтрации,				t − время
переноса.

Осмос. Осмос представляет собой диффузию молекул растворителя через полупроницаемую пленку из области с меньшей концентрацией раствора в область большей концентрации.

90