ГБОУ ВПО Ор ГМА МЗ РФ Кафедра биофизики

ГБОУ ВПО Ор. ГМА МЗ РФ Кафедра биофизики и математики Биологическая мембрана. Транспорт веществ через мембрану. Докладчик: студент группы 125, лечебного факультета Задорожный Валерий Научный руководитель: старший преподаватель кафедры биофизики и математики Колосова Наталья Ивановна. Оренбург 2013 г

ПЛАН: 1. Клеточная мембрана: Ø Определение Ø Жидко кристаллическая модель мембраны Ø Функции Ø Роль мембранных рецепторов в электрогенной функции плазматической мембраны Ø Физические свойства 2. Транспорт электролитов: Ø Электрохимический потенциал, уравнение Теорелла и его смысл Ø Уравнение Нернста-планка

3. Транспорт неэлектролитов: Ø Простоя диффузия Ø Уравнение Фика, смысл Ø Облегченная диффузия, механизм, транспорт 4. Ионный канал: Ø Определение Ø Классификация Ø Конструкция 5. Активный транспорт 6. Биофизические основы мембранного потенциала покоя 7. Потенциал действия

1. КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ Ø Клеточная мембрана это ультратонкая пленка на поверхности клетки или клеточной органеллы, состоящей из бимолекулярного слоя липидов с встроенными белками и полисахаридами. –

ЖИДКО КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МЕМБРАНЫ Ø Жидко-кристаллическая модель была представлена в 1972 г. Сингером и Никольсоном, согласно которой белки не образуют сплошной слой на поверхности, а делятся на интегральные, полуинтегральные и периферические 1. 2. 3. 4. 5. 6. Периферические белки Гидрофобные хвосты ФЛ Гидрофильные головки ФЛ Полуинтегральные белки Интегральные белки Гликолипиды 6 5 1 2 3 4

ФУНКЦИЯ МЕМБРАНЫ 1. барьерная — обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. 2. транспортная — через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. 3. матричная — обеспечивает определенное взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие. 4. механическая — обеспечивает автономность клетки, ее внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях)

энергетическая — при фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки; рецепторная — некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецептоами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы)

РОЛЬ МЕМБРАННЫХ РЕЦЕПТОРОВ В ЭЛЕКТРОГЕННОЙ ФУНКЦИИ ПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ осуществление генерации и проведения бипотенциалов. С помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов: концентрация иона К + внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация Na + значительно ниже, что очень важно, так как это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ Деформируемость. Клеточная мембрана легко подвергается деформации сдвига. Вязкость. Липидный слой мембраны имеет вязкость η = 30 -100 м. Пас (что соответствует вязкости растительного масла). Текучесть. Осуществление скольжения относительно другу за счет гидрофобных хвостов

Самозамыкание. Осуществляется за счет гидрофобных хвостов отталкивать H 2 O Подвижность липидных молекул А) латеральная диффузия Б) флип-флоп переходы

2. ТРАНСПОРТ ЭЛЕКТРОЛИТОВ 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.

Движущей силой диффузии является не только разность концентрации ионов внутри и вне клетки, но также разность электрических потенциалов, создаваемых этими ионами по обе стороны мембраны. Следовательно, диффузионный поток ионов определяется градиентом электрохимического потенциала (электрохимический градиент). Электрохимический потенциал является энергией ионов:

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ,

УРАВНЕНИЕ ТЕОРЕЛЛА И ЕГО СМЫСЛ

v. Пассивный транспорт – это перенос вещества из места с большим значением электрохимического потенциала к местам его меньшим значением. v. Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса => процесс идет без затраты энергии. v. Плотность потока вещества (J), при пассивном транспорте подчинятся уравнению Теорелла. v. Плотность потока вещества – это величина численно равная количеству вещества, переносимого за ед. времени через ед. площади поверхности, перпендикулярно переносу.

УРАВНЕНИЕ НЕРНСТА-ПЛАНКА

ВЫВОД:

3. ТРАНСПОРТ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ: ПРОСТОЯ ДИФФУЗИЯ

ПУТИ ДИФФУЗИИ а в белок б Билипидный слой а – через билипидный слой б – через липидную пору в – через белковую пору

ВИДЫ ДИФФУЗИИ Облегченная диффузия - вещества переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных трансмембранных белков-переносчиков (транслоказ) Осмос - процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо л ьшей концентрации растворённого вещества (меньшей концентрации растворителя). Фильтрация – это движение раствора через поры в мембране под действием давления

4. ИОННЫЙ КАНАЛ: Определение Ионный канал - порообразующие белки (одиночные либо целые комплексы), поддерживающие разность потенциалов, которая существует между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны всех живых клеток. Классификация по возможности управляемые неуправляемые (ионы перемещаются медленно, но постоянно )

в зависимости от селективности Ионоселективные (пропускающие один ион) не селективные (пропускают несколько ионов) Унипорт Симпорт (в одном направлении (два вещества в одно вещество) одном направлении) Антипорт (два вещества в разном направлении_

В зависимости от стимула Активирующие инактивирующие

АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ Активный транспорт – это перенос вещества из меньшего электрохимического потенциала в места с его большим значением Пассивный транспорт Активный транспорт

6. УРАВНЕНИЕ НЕРНСТА, ГОЛЬДМАНАХОДЖКИНА Мембранный потенциал покоя - разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями плазматической мембраны. Существуют значительные различия между концентрацией основных ионов внутри и вне клетки. Внеклеточная жидкость имеет высокую концентрацию ионов натрия и хлора. Внутриклеточная жидкость имеет высокую концентрацию калия и различных органических анионов (A-) (заряженные группы белков ).

Различие между концентрациями натрия и калия во внеклеточной и внутриклеточной жидкостях обусловлены деятельностью натрий-калиевого насоса, который выкачивает за один цикл 3 иона натрия из клетки и закачивает 2 иона калия в клетку против электрохимического градиента указанных ионов. Основная функция натрия-калия насоса поддержание различия концентраций ионов натрия и калия по обе стороны плазматической мембраны. В состоянии покоя проницаемость плазматической мембраны для ионов калия значительно превышает проницаемость мембраны для ионов натрия. В нервных клетках соотношения проницаемости соответствующих ионов составляет 1: 0, 04. Этот факт дает возможность объяснять существование мембранного потенциала покоя.

УРАВНЕНИЕ НЕРНСТА Закон устанавливает зависимость между электродвижущий силой (разность потенциалов) и ионной концентрацией

УРАВНЕНИЕ НЕРНСТА Закон устанавливает зависимость между электродвижущий силой (разность потенциалов) и ионной концентрацией R - универсальная газовая постоянная, T термодинамическ ая температура, z - электрический заряд иона, F постоянная Фарадея, [K+]i и [K+]o внутриклеточная и внеклеточная концентрации ионов калия

Более точная величина мембранного потенциала покоя может быть вычислена из уравнения Гольдмана-Ходжкина, в котором учитываются концентрации и проницаемость мембраны для трёх основных ионов внутри- и внеклеточной жидкостей ЗАКОН ГОЛЬДМАНАХОДЖКИНА R универсальная газовая постоянная, T термодинамич еская температура, z электрический заряд иона, F постоянная Фарадея, [K+]i и [K+]o внутриклеточн ая и внеклеточная концентрации ионов калия

7. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ Потенциал действия – электрический импульс, возникающий между внутренней и наружной стороны мембраны и обусловленный изменением ионной проницаемостью мембраны Фазы ПД: I. деполяризации II. реполяризация III. гиперполяризация

м. В 20 10 0 I II -60 -70 t, m/c III