Электрохимический потенциал. Плотность потока-? Транспорт веществ через биологическую мембрану: пассивный и активный, принципиальные различия между ними.

Физические характеристики биологических мембран

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 оп­тимальное 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. вы­сокое электрическое сопротивление =10⁷ Ом-м² и большая ем­кость = 0,5-10-² Ф/м².

Биологическую мембрану можно рассматривать как элект­рический конденсатор, в котором пластинами явля­ются 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 -

2 вопр.Ж-М. 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.

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..

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:

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.

Электрохимический потенциал. Плотность потока-? 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., то есть за счет затраты энергии,.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. Электродиффузия - диффузия электрически заряженных частиц (ионов) под влиянием концентрационных и электрических градиентов. Ионы - атомы или группы атомов, которые приобретают электрический заряд, теряя или приобретая электроны. Липидный бислой мембраны непроницаем для ионов. Они могут проникнуть через плазматическую мембрану только посредством специальных структур - ионных каналов, которые образованы интегральными белками..Плотность потока вещества jм при пассивном транспорте под­чиняется уравнению Теорелла: где U - подвижность частиц, С - концентрация. отношение-электрохимич градиент.

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 незаряженных частиц вызывается их концентрационным градиентом и направлена в сторону уменьшения этого градиента. Частицы вещества перемещаются из области более высокой концентрации вещества в области, где концентрация этого вещества низкая. Диффузия постепенно уменьшает градиент концентрации до тех пор, пока не наступит состояние равновесия. При этом в каждой точке установится равная концентрация, и диффузия в обоих направлениях будет осуществляться в равной степени.

фик J = - D · dC/dx.Отрицательный знак означает, что поток направлен из области высокой концентрации вещества в область с более его низкой

 

^{6 . Коэффициент проницаемости мембраны зависит от свойств мембраны и переносимых веществ. Если считать концентрации вещества у поверхности в мембране прямо пропорциональны­ми концентрациям у поверхности вне мембраны, то}

^{Коэффициент проницаемости мембраны зависит от свойств мембраны и переносимых веществ. Если считать концентрации вещества у поверхности в мембране прямо пропорциональны­ми концентрациям у поверхности вне мембраны, то}

^{Р-коэффициент проницаемости}

^{J= D(C1-C2)l д-коэф распред. д-толщина с1.с2 концентря раствора внутри и вне клетки}

^7. 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 (рис. 2.8): 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.;

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.

Фильтрация -двиение раствора через поры в мембране под действием градиента давления.скорость переноса при фильтрации по з-ну пуазейля: где dV/dt -объемная скорость переноса раствора, w – гидравлическое сопротивление, w =8нюl/pi r^4 l длина поры, r — ее радиус, ню- коэффициент вязкости раствора.

8. Микроэлектродный метод дал возможность измерить биопо­тенциалы не только на гигантском аксоне кальмара, но и на клет­ках нормальных размеров: нервных волокнах других животных, клетках скелетных мышц, клетках миокарда и других.

трансмембранной разности потенциалов (то есть разности потенциалов между внутриклеточным и электродом сравнения).

 

 

9.

Потенциал покоя - стационарная разность электрических по­тенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии. Потенциал покоя определяется разной концентрацией ионов по Разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану. Если концентрация какого-либо иона внутри клетки С отлич­ив от концентрации этого иона снаружи С и мембрана проница­ла для этого иона, возникает поток заряженных частиц через Мембрану, вследствие чего нарушается электрическая нейтраль­ность системы, образуется разность потенциалов внутри и снаружи клетки ФИм=ФИвн-Финар, которая будет препятствовать дальней­шему перемещению ионов через мембрану. При установлении равновесия выравниваются значения электрохимических потен­циалов по разные стороны мембраны:

Отсюда легко получить формулу Нернста для равновесного мембранного потенциала:

Томаса: где m - отношение количества ионов натрия к количеству ионов калия, перекачиваемых ионными насосами через мембрану. Чаще всего K+-Na+-АТФаза работает в режиме, когда m = 3/2, м всегда больше 1.

Коэффициент m > 1 усиливает вклад градиента концентра­ции калия в создание мембранного потенциала, поэтому мемб­ранный потенциал, рассчитанный по Томасу, больше по абсо­лютной величине, чем мембранный потенциал, рассчитанный по Гольдману, и дает совпадение с экспериментальными значе­ниями для мелких клеток.

Для аксона кальмара в сост покоя коэфф прониц:

P_K»P_Na P_K»P_Cl