1. Биологические мембраны, их основные функции. Физические характеристики биологических мембран (толщина, диэлектрическая проницаемость, электрическое сопротивление). Жидкостно-мозаичная модель мембраны.

Функции:

барьерная — обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой (селективный - значит, избирательный: одни вещества переносятся через биологическую мембрану, другие - нет; регулируемый - проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от генома и функционального состояния клетки);

матричная - обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оп-тимальное взаимодействие (например, оптимальное взаимодействие мембранных ферментов);

механическая — обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур.

Кроме того, биологические мембраны выполняют и другие функции: энергетическую - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов; генерацию и проведение биопотенциалов; рецепторную (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция - мембранные процессы) и многие другие функции. вы¬сокое электрическое сопротивление =107 Ом-м2 и большая емкость = 0,5-10-2 Ф/м2.

Биологическую мембрану можно рассматривать как электрический конденсатор, в котором пластинами явля-ются электролиты наружного и внутреннего растворов (внеклеточного и цитоплазмы) с погруженными в них головами липидных молекул. Проводники разделены диэлектрическим слоем, образованным неполярной частью липидных молекул - двойным слоем их хвостов. Липиды - диэлектрики с диэлектрической проницаемостью E = 2.

Емкость плоского конденсатора где электрическая постоянная £g= 8,85 • 1012 Ф/м, d - расстояние между пластинами конденсатора, S - площадь пластины.

Удельная емкость (на единицу площади) ,

отсюда толщина -

Структурную основу биологической мембраны образует двойной слой фосфолипидов, инкрустированный белками. Различают поверхностные (или периферические) и интегральные белки. Липиды находятся при физиологических условиях в жидком агрегатном состоянии. При этом, соотношение количества белков и липидов во всех мембранах должно быть примерно одинаково.

2. Современные методы исследования биологических структур. Электронная микроскопия, предел разрешения электронного микроскопа. Рентгеноструктурный анализ, формула Вульфа - Брэггов.

Рентгеноструктурный анализ, электронно-микроскопические исследования, флуоресцентный анализ, электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс. Наибольшие успехи в раскрытии особенностей строения биологических мембран были достигнуты в электронно-микроскопических исследованиях. В электронном микроскопе вместо светового пучка на исследуемый объект направляется пучок электронов, разогнанных до больших скоростей.

Известно, что электронам с высокими скоростями тоже присущи волновые свойства, в том числе явление дифракции. Однако при достаточно больших скоростях, согласно формуле де Бройля, длина волны мала и соответственно мал предел разрешения. Так, если электроны ускоряются электрическим полем с напряжением 105 В, их скорость достигает 106 м/с, длина волны уменьшается, и предел разрешения составляет порядка 0,1 нм, что позволяет рассмотреть отдельные детали строения биологических мембран.

В электронном микроскопе достигается увеличение в сотни тысяч раз, что дало возможность исследовать строение клетки, клеточных органелл и биологических мембран.

Недостатком электронной микроскопии является деформация живого объекта в процессе исследования. Перед началом электронно-микроскопических исследований клетка проходит через многие стадии предварительной обработки: обезвоживание, закрепление, ультратонкий срез, обработка препаратов веществами, хорошо рассеивающими электроны (например, золотом, серебром, осмием, марганцем и т.п.). При этом изучаемый объект значительно изменяется. Несмотря на это, успехи в изучении клетки при помощи электронного микроскопа несомненны.

Рентгеноструктурный анализ позволяет обнаруживать упорядоченность в расположении атомов и определять параметры упорядоченных структур (например, расстояния между кристаллографическими плоскостями). Исследования дифракции рентгеновских лучей на мембране подтвердили относительно упорядоченное расположение липидных молекул в мембране — двойной молекулярный слой с более или менее параллельно расположенными жирно-кислыми хвостами, дали возможность точно определить расстояние между полярной головой липидной молекулы и метильной группой в конце углеводородной цепи.

3. Диффузия липидных молекул в мембранах: латеральная, флип - флоп. Частота перескоков молекул.

Люминесцентные методы изучения подвижности молекул в мембране, флуоресцентные метки и зонды.

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. Среднее квадратичное перемещение S кв. молекул при диффузии за время t можно оценить по формуле Эйнштейна:

Перемещение молекул по поверхности мембраны клетки за время t определено экспериментально методом флуоресцентных меток - флюоресцирующих молекулярных групп. Флуоресцентные метки делают флюоресцирующими молекулы, дви¬жение которых по поверхности клетки можно изучать, например, исследуя под микроскопом скорость расплывания по поверхности клетки флюоресцирующего пятна, созданного такими молекулами.

Частота перескоков (число перескоков в секунду) молекулы с одного места на другое вследствие латеральной диффузии может быть найдена по формуле: где f - площадь, занимаемая одной молекулой на мембране.

Флип-флоп - это диффузия молекул мембранных фосфолипидов поперек мембраны.

Скорость перескоков молекул с одной поверхности мембраны на другую (флип-флоп) определена методом спиновых меток в опытах на модельных липидных мембранах - липосомах (см. § 5).

Часть фосфолипидных молекул, из которых формировались липосомы, метились присоединенными к ним спиновыми метками. Липосомы подвергались воздействию аскорбиновой кислоты, вследствие чего неспаренные электроны на молекулах пропадали: парамагнитные молекулы становились диамагнитными, что можно было обнаружить по уменьшению площади под кривой спектра ЭПР.

Таким образом, перескоки молекул с одной поверхности бислоя на другую (флип-флоп) совершаются значительно медленнее, чем перескоки при латеральной диффузии. Среднее время, через которое фосфолипидная молекула совершает флип-флоп (Т ~ 1 час), в десятки миллиардов раз больше среднего времени, характерного для перескока молекулы из одного места в соседнее в плоскости мембраны.

4. . Электрохимический потенциал. Транспорт веществ через биологическую мембрану: пассивный и активный, принципиальные различия между ними.

Химическим потенциалом данного вещества Мю называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на один моль этого вещества. Математически он 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 (l не = k):

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 этот процесс может идти самопроизвольно без затра­ты энергии. Плотность потока вещества j при пассивном транспорте под­чиняется уравнению Теорелла: где U - подвижность частиц, С - концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания Мю. Плотность потока вещества - это величина, численно равная количеству вещества, перенесенного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направле­нию переноса:

Уравнение Нернста—Планка:

Активный транспорт — это перенос вещества из мест с мень­шим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением.

Активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), то есть за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ. Активный транспорт веществ через биологические мембра­ны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., под­держивающие жизненные процессы, то есть с точки зрения тер­модинамики активный перенос удерживает организм в нерав­новесном состоянии, поддерживает жизнь.

5. Диффузия заряженных частиц. Уравнение Теорелла. Уравнение

Нернста - Планка.

Плотность потока вещества jм при пассивном транспорте под­чиняется уравнению Теорелла: где U - подвижность частиц, С - концентрация.

Выражение разбавленных растворов при Мю = const уравнение Нернста—Планка: градиент концентрации градиент электрического потенциала dФи/dX.

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: где С1м ^- концентрация вещества в мембране около одной ее по­верхности и См2 - около другой, I - толщина мембраны. Градиент концентрации приблизительно равен (См2-См1)/L.

Облегченная диффузия – происходит при участии молекул переносчиков (валиномицин – переносит ионы калия). Отличия облегченной диффузии от простой:

1) перенос вещества с участием переносчика происходит зна­чительно быстрее;

2) 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;

3) 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; Так, из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза, и т.д.;