Биологические мембраны Строение Функции Модели Перенос молекул

Биологические мембраны Строение Функции Модели Перенос молекул и атомов Методы изучения

Мембранология - современная междисциплинарная область естественных наук. Она изучает состав, структуру, свойства, функции, локализацию компонентов биомембран, их молекулярную и динамическую организацию, особенности межмолекулярных взаимодействий в мембранах, механизмы транспорта веществ через мембраны. Биофизика мембран – важнейший раздел мембранологии и биофизики клетки, который исследует физико-химические механизмы функционирования биомембран в норме и в условиях воздействия различных модифицирующих агентов.

Биологические мембраны -это белково липидные структуры молекулярных размеров (8 -12 нм), ограничивающие клетку (клеточные или плазматические мембраны) и внутриклеточные органоиды (мембраны митохондрий, хлоропластов, ЭПС и др), выполняющие общие и специфические функции

К общим функциям мембран относят: -барьерную - механическую - матричную -метаболическую - коммуникационную

Специфические функции выполняют фотосинтетические и энергосопрягающие мембраны (энергетическая функция ), возбудимые мембраны (генерация и проведения возбуждения). Рецепторные мембраны (обонятельная, зрительная, химическая рецепция, терморецепция).

СТРОЕНИЕ МЕМБРАН 1 -гидрофильная головка 2 -гидрофобный хвост

Модели мембран Модели строения биологических мембран: А- «бутербродная модель» строения биологических мембран по Давсону и Даниели, Б — жидкостно- мозаичная модель Сингера и Николсона.

а- монослой б- плоский бислой в- однослойная липосома

Уравнение Фика Потоком вещества (Ф) через элемент поверхности, который перпендикулярен направлению диффузии, называется количество этого вещества, переносимого через данный элемент за единицу времени. Количество переносимого вещества можно измерять в килограммах или молях (ν). В зависимости от этого поток определяется формулами : Ф=m/t [кг/с] или Ф= ν/t [моль/с]

Очевидно, что поток пропорционален площади S выделенного элемента. Кроме того, можно показать, что поток пропорционален градиенту концентрации (dc/dx) диффундирующего вещества в направлении OX. Поэтому имеет место следующая формула для расчета потока: Ф=-D∙S∙d. C/dx

Коэффициент D зависит от свойств жидкости, свойств диффундирующих частиц, температуры. Его численное значение выражается формулой D= σ2/(3 τ), где σ- среднее перемещение молекул (среднее расстояние между молекулами), τ- среднее время «оседлой» жизни молекулы.

Плотность потока вещества (J) называется отношение потока вещества (Ф) через элемент поверхности к площади этого элемента (S). J=Ф/S Единица плотности потока –[кг/(м 2∙c)] или [моль/(м 2∙с)]. Плотность потока в однородной среде выражается уравнением диффузии (уравнение Фика) : J= - D∙dc/dx

Уравнение Фика для мембраны. С 1 -концентрация частиц внутри клетки Сm 1 - концентрация частиц в мембране у её внутренней поверхности Cm 2 - концентрация частиц в мембране у её внешней поверхности C 2 - концентрация частиц вне клетки Коэффициент распределения вещества (К)- величина, равная отношению концентраций частиц в граничащих средах. К= Ссреда 1/ Cсреда 2

К=Cm 2/C 2=Cm 1/C 1 Отсюда получаются выражения для концентрации частиц внутри мембраны: Cm 1=K∙C 1, Сm 2=K∙C 2 Учитывая малую толщину мембраны (L), можно считать, что концентрация молекул диффундирующего вещества изменяется в ней линейно. Поэтому градиент концентрации диффундирующего вещества постоянен: dc/dx=(Сm 2 -Cm 1)/L= - K (C 1 -C 2)/L Подставив значение градиента в уравнение диффузии (уравнение Фика) получим: J=DK∙(C 1 -C 2)/L Величину P = DK / L называют коэффици проницаемости мембраны, [м/с]

С учетом величины Р получим уравнение Фика для мембран, которое описывает пассивный транспорт в них: J=P∙(C 1 -C 2)

Перенос заряженныхчастиц, электродиффузное уравнение Нернста-Планка. Уравнение Фика описывает как пассивный транспорт незаряженных частиц, так и пассивный транспорт заряженных частиц в отсутствии электрического поля. Для описания транспорта ионов с учетом электрического поля внутри мембраны используют уравнение Нернста-Планка.

Виды транспорта через мембрану 1. Пассивный транспорт а) простая диффузия б) облегченная диффузия в) транспорт через каналы (поры) г) эстафетная передача 2. Активный транспорт

Методы исследования мембран 1) Биохимические методы исследования биомембран 2) Физиологические методы 3) Генетические методы 4) Иммунологические методы 5) Биофизические методы

К биофизическим методам относят: - метод электронной микроскопии; - метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и использования спиновых меток; - метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР); - метод флуоресцентной спектроскопии (и использования флуоресцентных зондов); - метод определения дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма; - метод дифференциальной сканирующей калориметрии; - метод рентгеновского рассеяния нейтронов; - метод моделирования;

Латеральная диффузия- это хаотическое тепловое перемещение молекул липидов и белков в плоскости мембраны. Флип-флоп- это диффузия молекул мембранных фосфолипидов поперек мембраны.