Успехи современного естествознания. Активный транспорт веществ
1.Опыты Пфефера, Харди-Фишера, Овертона. Природа клеточной мембраны и альтернатива клеточной мембране.
2. Метод флуоресцентных зондов при изучении клеточных мембран.
3.Удельная электрическая емкость мембраны аксона, измеренная внутриклеточным электродом, оказалась равной 0,5 мкф/см 2 . по формуле плоского конденсатора определить толщину гидрофобного слоя мембраны. Ε липидов считать равной 2.
4.Механизм генерации потенциала действия кардиомицета.
5.Метод спиновых зондов в изученни клеточных мембран.
6. Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду в результате латеральной диффузии? Коэффициент латеральной диффузии принять равным 10 -12 м 2 /с. сравнить с окружностью эритроцита диаметром 8 мкм.
7.Структура ионного канала.
8.Метод дифференциальной микрокалориметрии.
9.При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического сосотояния в гель тольщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны?
10.Ионные каналы клеточных мембран.
11.Рентгеноструктурный анализ при изучении клеточных мембран. Принципы и примеры.
12. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится напряженность электрического поля в мембране?.
13.Ионные токи в аксоне. Модель Ходжкина-Хаксли.
14.Методы изучения проницаемости мембран.
15. С помощью спин-меченных молекул фосфолипидов установлен градиент вязкости в мембране по толщине. Опишите эксперимент.
16.Механизм генарции потенциала действия.
17.Применение кондуктометрии при изучении мембран. Опыты Фрике.
18. Где вязкость гидрофобного слоя выше: у поверхности мембраны или в ее толщине. Как это установлено?
19.Распространения нервного импульса вдоль возбудимого волокна.
20.Электрокинетические явления в клетках и суспензиях.
21. Как изменится облегченная диффузия ионов калия с участием молекулы валиномицина после фазового перехода мембранных липидов из жидкокристаллического состояния в гель?
22.Потенциал действия. физический механизм.
23.Электросмос в живых клетках и тканях.
24.Будет ли наблюдаться осмотический эффект (набухание в гипотоническом и сморщивание в гипертоническом растворах) при накоплении ионов натрия по схеме антипорта?
25.Потенциал покоя. Его природа.
26. Природа осмоса в живых клетках.
27. Будет ли наблюдаться осмотический эффект (набухание в гипотоническом и сморщивание в гипертоническом растворах) при накоплении ионов натрия по схеме симпорта?
28.Природа биоэлектрических потенциалов.
29.Клетка как осмометр. Пример определения изотоничности раствора с использованием живых клеток.
30.Показать, что уравнение Нернста-Планка сводится к уравнению Фика для случая диффузии незаряженных частиц.
31.Различия белковых каналов и липидных пор.
32.Природа оседания мертвых клеток. Физ.хим осонвы метода СОЭ.
33. Фермент Na + -K + - АТФаза в плазматической мембране эритроцита совершил шесть циклов. Какое количество ионов натрия и калия при этом было активно транспортировано? Сколько энергии было при этом израсходовано, если гидролиз одного моля АТФ сопровождается освобождением 33,6кДж?. КПД сопряжения считать равным 100%.
34.механизм проницаемости мембран для молекул воды. Гипотеза кинков.
35.ЯМР-спектроскопия при исследованиях мембран. Примеры и принципы.
36. в клеточных мембранах известно три ионных насоса натрий-калиевый, протонный, кальциевый. Каким образом осуществляется при этом активный транспорт сахара и аминокислот?
37.модель формирования поры при фазовом переходе.
38.методы измерения микровязкости в мембранах.
39. возможен ли одновременный трансмембранный перенос ионов калия и натрия по схеме симпорта?
40.электрический пробой мембранных липидов.
42.методы спектральных зондов.
43. возможен ли одновременный трансмембранный перенос ионов калия и натрия по схеме антипорта?
44.модель критической липидной поры.
45.применение ион-селективных электродов при исследованиях проницаемости мембран.
46. возможен ли одновременный трансмембранный перенос ионов калия и натрия по схеме унипорта?
47.липидные поры в свете стабильности мембран.
48. методы эритрограмм. Их информационная ценность.
49. какой транспорт ионов создает мембранную разность потенциалов: пассивный или активный?
50.механизм и закономерности вторичного активного транспорта ионов.
51. экспериментальные критерии облегченной диффузии.
52. что больше скорость распространения электрического сигнала по проводам морского телеграфа или скорость распространения нервного импульса по мебране аксона? Почему?
53. Электрогенные ионные насосы.
54. Методы фракционирования клетки.
55. Каков биофизический механизм действия местного анестетика тетрэиламмония?
56. Опыт и схема Уссинга.
57. Природа сил липид-липидного взаимодействия в мембране. Методы исследования.
Календарный тематический план по дисциплине
«Молекулярная организация биологических мембран»
2011/2012 уч. год (4 курс, 7 семестр ВБФ биофизики)
| дата | № п/п | Тип и название учебного модуля | Учебно-методическое обеспечение учебного модуля |
| ЛЕКЦИИ: | |||
| Биологические мембpаны как унивеpсальные стpуктуpно-функциональные обpазования живых систем. | Конспект лекции. | ||
| Стpуктуpная оpганизация биомембpан. | Конспект лекции. | ||
| Белки и липиды мембран. | Конспект лекции. | ||
| Белок-липидные взаимодействия. | Конспект лекции. | ||
| Динамические свойства мембран. | Конспект лекции. | ||
| Моделирование структуры мембран. | Конспект лекции. | ||
| Pасчеты стpуктуpы мембpан | Конспект лекции. | ||
| ИТОГО – 14 часов | |||
| Практические занятия * | |||
| Расчеты электрической емкости и импеданса мембран. | Компьютерный класс кафедры. | ||
| Определение толщины мембраны эритроцита по электропроводности. | Компьютерный класс кафедры. | ||
| Исследование механической прочности мембран эритроцитов. | Компьютерный класс кафедры. | ||
| Исследование влияния холестерола на деформируемость мембран эритроцитов. | Компьютерный класс кафедры. | ||
| Расчеты прочности мембран эритроцитов. | Компьютерный класс кафедры. | ||
| Исследование действия магнитного поля на механические свойства мембран эритроциов | Компьютерный класс кафедры. | ||
| Итого – 22 часа |
* - каждое практическое занятие рассчитано на 4 часа.
Утв. на заседании кафедры _____________________________________________
2. Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду в результате латеральной диффузии? Коэффициент латеральной диффузии принять равным 10 –12 м2/с. Сравните с окружностью эритроцита диаметром 8 мкм.
3. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
4. Как изменится электрическая емкость мембраны (удельная) при ее переходе из жидкокристаллического состояния в гель, если известно
5. Рассчитайте время оседлой жизни и частоту перескоков из одного мембранного слоя в другой липидов мембран саркоплазматического ретикулума, если коэффициент латериальной диффузии D=12 мкм 2 /c, площадь, занимаемая одной молекулой фосфолипида А=0,7 нм 2 .
6. Рассчитайте коэффициент проницаемости для вещества, поток которого через мембрану моль/м . Концентрация вещества внутри клетки , а снаружи - моль/л.
7. Во сколько раз внутриклеточная концентрация ионов калия должна превышать наружную , чтобы потенциал покоя составлял 91мВ. Вычислите температуру клетки.
8. Рассчитайте коэффициент распределения К для вещества, если при толщине мембраны 10нм коэффициент диффузии 7,2*10 см , а коэффициент проницаемости 14см/с.
9. Разность концентраций молекул вещества на мембране некоторой клетки равна 48ммоль/л, коэффициент распределения между мембраной и окружающей средой 30, коэффициент диффузии 1,5*10 , плотность потока 25моль/м . Рассчитайте толщину этой мембраны.
10. Найдите коэффициент проницаемости плазматической мембраны Mycoplasma, для формамида, если при разнице концетраций, этого вещества внутри и снаружи мембраны, равной 0,5*10 , плотность потока его через мембрану равна 8*10 см/с.
17. Критический радиус липидной поры в мембране зависит от краевого натяжения поры , поверхностного натяжения мембраны и мембранного потенциала . Выведите формулу для критического радиуса поры. Рассчитайте критический радиус поры при отсутствии мембранного потенциала. Принять краевое натяжение поры 10 – 11 Н, поверхностное натяжение липидного бислоя 0,3 мН/ м.
18. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
19. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
20. Как изменится электрическая емкость мембраны (удельная) при ее переходе из жидкокристаллического состояния в гель, если известно , что в жидкокристаллическом состоянии толщина гидрофобного слоя составляет 3,9 нм, а в состоянии геля – 4,7 нм. Диэлектрическая проницаемость липидов 2.
21. Осмотическое давление крови человека составляет 0,77МПа. Сколько молей соли NaCl должен содержать изотонический физиологический раствор в 200 мл воды при температуре 37 0 С?
22. При повторной регистрации спектра ЯМР одного и того же образца изменилась температура, линии спектра при этом стали более узкими. В какую сторону изменилась температура: понизилась или повысилась?
23. Найти длину электромагнитной волны, при которой возникает ЭПР в магнитном поле с магнитной индукцией 0,3Тл. Принять фактор Ланде равным двум.
24. По контуру радиусом 0,5м протекает ток. Найдите силу этого тока, если известно , что магнитный момент контура Б.
26. Определите мощность теплового излучения раздетого человека с S = 1 м 2 поверхности тела, если температура кожи t 1 =30 0 C, окружающей среды – t 2 =20 0 C. Коэффициент поглощения кожи k=0,9
27. Интенсивность излучения тела человека увеличились на 2,62 %. На сколько процентов возросла температура.
28. Определите длину волны , соответствующую максимуму спектральной плотности энергетической светимости тела человека, считая его серым телом. Температура кожи t=30 0 C.
29. Определите натуральный молярный показатель поглощения веществ, если при его концентрации в растворе с=0,03 моль/л оптическая плотность раствора составляет D=1. Длина кюветы l= 2 см.
30.Наблюдая под микроскопом движение эритроцитов в капилляре, можно измерить скорость течение крови (). Средняя скорость тока крови в аорте составляет . На основании этих данных определить, во сколько раз сумма всех функционирующих капилляров больше сечение аорты.
31. Рассчитайте предел разрешения z электронного микроскопа , если ускоряющее напряжение в нем U=100 кВ, апертурный угол u=10 -2 рад.
32. Вычислить вязкость крови при нормальном гематокрите (с=45%), если вязкость плазмы составляет
33. Вычислите максимальное минутный объем Q max крови, при котором течение крови в аорте остается ламинарным. Диаметр аорты d=2 cм, вязкость крови , плотность , критическое значение числа Рейнольдса Re кр =2000.
34. Скорость распространения пульсовой волны по артерии составляет v=10 м/c. Определите модуль упругости Е артерии, если толщина ее стенки h=0,7 мм, внутренний диаметр d=8 мм, плотность крови
35.Радиус аорты равен 1,0см; скорость течения крови в аорте составляет 30 см/с. Чему равен скорость течения крови в капиллярах, если суммарная площадь сечения капиллчров равна 2000 см 2 . (Диаметр каждого капилляра принять как , а число капилляров больше миллиона).
36. В медицине для определения скорости движения отдельных биологических структур (например, крови, клапанов сердца) используется эффект Доплера. Как связано изменение частоты ультразвукового сигнала при отражении от движущегося предмета с его скоростью?
37. К поршню горизонтально расположенного шприца приложена сила F=10 Н. Определите скорость v истечения лекарства из иглы шприца, если плотность лекарства , диаметр поршня d=7 мм, причем его площадь намного больше площади поперечного сечения иглы.
38. С какой скоростью v всплывает пузырек воздуха диаметром d=4 мм в сосуде, наполненном глицерином? Кинематическая вязкость глицерина , его плотность намного больше плотности воздуха.
39. При некоторых заболеваниях критическое число Рейнольдса в сосудах становится равным 1160. Найдите скорость движения крови, при которой возможен переход ламинарного течения в турбулентное в сосуде диаметром 2мм.
40.Уровень громкости звука равен 120 фон, а тихого разговора – на том же расстоянии – 41. фон. Определить отношение интенсивностей.
42. Интенсивности звука 10-2 Вт/м2. Найти звуковое давление , если акустическое сопротивление среды (воздуха) 420 кг/м2с.
43. Определить амплитудное значение звукового давления для чистого тона частотой 1000 Гц, при котором может наступить разрыв барабанной перепонки, если разрыв наступает при уровне громкости L E = 160 фон. (Ответ выразить в паскалях и в атм.)
44. Электронагреватель в установке для термической обработки лекарственного сырья за 10 мин испаряет 1 л воды, вязтой при температуре 20 0 С. Определите длину нихромовой проволоки сечением 0,5 мм 2 , учитывая, что установка питается напряжением 120 В и ее КПД равен 80%?
45. Интенсивность света, прошедшего через раствор аспирина в непоглощающем растворителе, уменьшается за счет поглощения в три раза. Концентрация молекул аспирин n 0 =10 20 м -3 . Путь света в растворе =150 мм. Определите эффективное сечение поглощения аспирина.
46. Определите разность фаз в пульсовой волне между двумя точками артерии, расположенными на расстоянии друг от друга , считая скорость пульсовой волны равной v=10 м/c, колебания сердца – гармоническими с частотой =1,2 Гц.
49. Для нагревания мышечной ткани на плоское электроды подается напряжение c амплитудой U 0 =250 В и частотой =10 6 Гц. Активное сопротивление этого участка цепи R=10 3 Ом; емкость С= Ф. Определите количество тепла, выделившееся в объеме ткани между электродами за период колебаний Т и за время процедуры t=10 мин.
50. Ионофорез применяется для введения лекарственных веществ в тело человека. Определите количество однократно ионизированных ионов лекарственного вещества, введенное больному за время t= 10 мин при плотности тока 0,05 мА/см 2 с электрода площадью S=5 см 2
ВОПРОСЫ ЭКЗАМЕНА
Биологические мембраны. Виды биологических мембран и их функции.
Виды мембранных липидов и их свойства. Бислойные липидные структуры.
Холестерин. Динамика липидов в мембране. Фазовые переходы в мембране.
Мембранные белки. Виды и функции мембранных белков.
Структура биологических мембран.
Искусственные мембраны. Липосомы.
Методы исследования структуры мембран.
Капиллярные явления, их значения в биологии и медицине. Газовая эмболия.
Транспорт веществ через биологические мембраны.Способы проникновения веществ в клетку.
Виды транспорта. Простая диффузия.
Транспорт неэлектролитов через биологические мембраны.
Основные механизмы пассивного транспорта.
Транспорт ионов. Ионный транспорт веществ в каналах.
Механизмы проницаемости биологических мембран. Строение и функции ионных каналов и переносчиков. Механизмы электрогенеза.
Активный транспорт через биологические мембраны.
Молекулярные механизмы электрохимических потенциалов мембран и распространение нервного импульса вдоль возбудимого волокна.
Понятие электровозбудимости. Потенциалы покоя.
Методы измерения мембранного потенциала. Микроэлектродная техника.
Потенциал действия. Механизм генерации и распространения потенциала действия.
Методы изучения молекулярных механизмов электромеханических потенциалов мембран.
Распространение нервного импульса вдоль возбудимого волокна.
Датчики медико-биологической информации. Типы датчиков.
Назначение и классификация датчиков , характеристики.
Термоэлектрические явления в металлах и полупроводниках.
Градуировка термодатчиков и определение температуры вещества.
Электроды для съема биоэлектрического сигнала.
Ионные токи в модели Ходжкина – Хаксли.
Ионные каналы в клеточных мембран. Структура ионного канала.
Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита.
Мембранные потенциалы. Потенциал действия сердечной клетки.
Физические основы электрокардиографии. Устройство, принцип работы электрокардиографа..Основные подходы к регистрации ЭКГ.
Регистрация ЭКГ и принципы анализа.
Электроэнцефалография. Основные ритмы ЭЭГ. Их функциональное значение.
Регистрация ЭЭГ и принципы анализа. Функциональные пробы.
Основные типы электрической активности пирамидных нейронов.
37. Энергетические уровни молекул (электронная, колебательная и вращательная энергия молекул).
38.Электронные переходы при поглощении света.
39. Спектры поглощения молекул некоторых биологически важных соединений.
40. Методы исследования фотобиологических процессов с помощью спектров.
41.Устройство и принцип работы спектрофотометров.
42. Изучение спектрофотометрических методов исследования для определения концентрации веществ в биологических жидкостях.
43. Люминесценция биологических систем.
44. Люминесценция. Различные виды люминесценции.
45.Фотолюминесценция. Правило Стокса.
46. Квантовый выход флуоресценции. Триплетный уровень и фосфоресценция.
47. Фотолюминесцентный качественный и количественный анализ биологических объектов.
48. Люминесцентная микроскопия. Хемилюминесценция, механизм генерации хемилюминесценции
49.Первичные стадии фотобиологических процессов.
50. Спектры фотобиологического действия.
51.Изучение продуктов первичных фотобиохимических реакций.
52. Свободнорадикальное окисление.Первичные фотохимические реакции белков.
53.Фотохимические превращение ДНК.
54. Особенности действия высокоинтенсивного лазерного излучения на ДНК.
55. Фотореактивация и фотозащита.
56.Действие ультрафиолетового света на биологические мембраны.
57. Фотосенсибилизированные фотобиологические процессы.
58. Исследование биологических объектов в микроскопии.
59. Специальные приемы микроскопии биологических объектов
60. Оптическая система микроскопа, построение изображения объекта.
61. Формула увеличения оптического микроскопа.
62. Биофизика мышечного сокращения. Модель скользящих нитей.
63. Биомеханика мышцы. Уравнение Хилла.
64. Мощность одиночного сокращения. Моделирование мышечного сокращения.
65. Электромеханическое сопряжение
66. Кровеносная система (артерии, вены). Механизм кровообращения
67.Движение крови в крупных сосудах.
68.Организация потока крови в микрососудах.
69. Движение форменных элементов крови в капиллярах.
70. Факторы, определяющие реологические свойства крови.
71. Формы ориентации эритроцитов в капиллярах.
72. Гемодинамические закономерности движения крови по сосудам.
73. Общие физико-математические закономерности движения крови по кровеносному руслу.
74. Реография различных органов и тканей. Методы исследования кровообращения.
75. Методы регистрации и принципы анализа реографической кривой. Интегральная и регионарная реография.
76. Способы косвенной регистрации ударного и минутного выброса. Компьютерная интегральная реография.
77. Физические основы взаимодействия звука и биологических тканей.
78. Классификация медицинских приборов и аппаратов.
79.Формы энергии, которые преобразуются в измерительном преобразователе.
80. Медицинские приборы терапевтического назначения.
81. Терапевтическая электронно-медицинская аппаратура.
82. Методы высокочастотной терапии (ВЧ,УВЧ,СВЧ и др.) и их биофизическое воздействие.
83. Устройство аппарата УВЧ-терапии и его принцип работы.
84. Терапевтическая техника, основанная на применении постоянного тока
85. Устройство аппарата гальванизации и его принцип работы. Физические основы гальванизации
86. Фотоэлектрические преобразователи.
87. Основные технические средства медицинской интроскопии.
88. Конструкции датчиков и их основные характеристики.
89.Приборы для измерения функции внешнего дыхания
90. Регистрация движений грудной клетки при дыхательных движениях. Пневмография, спирометрия, спирография.
Перечень практических навыков
проводить регистрацию ЭЭГ., РГ
проводить регистрацию ЭКГ в стандартных отведениях;
уметь объяснить генез ЭКГ феноменов и методы их выявления.
научиться формировать электрокардиографический диагноз.
производить регистрацию физических параметров ,
обрабатывать результаты измерений с использованием вычислительных средств;
измерять концентрацию веществ с использованием фотометрических приборов.
решать задачу оптимального сопряжения биообъекта и технических средств в медико-биологических исследованиях;
правильно подбирать технические средства при решении медицинских задач
Активный транспорт - перенос молекул и ионов, который происходит с затратой химической энергии в направлении от меньших значений величин к большим .
При этом нейтральные молекулы переносятся в область большей концентрации, а ионы переносятся против сил, действующих на них со стороны электрического поля. Таким образом, активным транспортом осуществляется перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен был бы происходить под действием градиентов (прежде всего концентрационного и электрического). Энергия получается за счет гидролиза молекул особого химического соединения - аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Экспериментально установлено, что энергии распада одной молекулы АТФ достаточно для выведения наружу трех ионов натрия и введения внутрь клетки двух ионов калия. Схема активного транспорта представлена на рис.13.
Захватив одним активным центром ион калия из наружной среды, а другим ион натрия - из внутренней, система, потребляя АТФ, поворачивается внутри мембраны на 180°. Ион натрия оказывается вне клетки и там отделяется, а ион калия попадает внутрь и тоже освобождается, после чего молекула белка принимает исходное положение, и все начинается сначала.
За счет активного транспорта клетка поддерживает внутри себя высокую концентрацию калия и низкую концентрацию натрия. При этом ионы могут перемещаться против градиента их концентрации (аналогия с газом: перекачивание газа из сосуда с низким давлением в сосуд с высоким давлением).
Рис.13. Схема активного транспорта
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, т. е., с точки зрения термодинамики, активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь.
Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки (рис.14).
Рис. 14 . Схема опыта Уссинга (А - амперметр, V - вольтметр, Б - батарейка, П - потенциометр)
Экспериментальная камера Уссинга, заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. На рис.14 слева - наружная мукозная поверхность кожи, справа - внутренняя серозная. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки: слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа налево - от внутренней к наружной поверхности.
На коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникала разность потенциалов, причем внутренняя сторона кожи имела положительный потенциал по отношению к наружной. В установке имелся блок компенсации напряжения, с помощью которого устанавливалась разность потенциалов на коже лягушки, равная нулю, что контролировалось вольтметром. Кроме того, поддерживалась одинаковая концентрация ионов с наружной и внутренней стороны. При этих условиях, если бы перенос ионов натрия через кожу лягушки определялся только пассивным транспортом, то потоки ионов натрия должны были бы быть равны друг другу, а ток в цепи отсутствовать.
Однако было обнаружено, что в условиях опыта (отсутствие градиентов электрического потенциала и концентрации) через кожу лягушки течет электрический ток, следовательно, происходит односторонний перенос заряженных частиц. Установлено, что ток через кожу течет от внешней среды к внутренней. Методом меченых атомов было показано, что поток натрия внутрь больше, чем поток наружу.
Для этого в левый раствор экспериментальной камеры были включены радиоактивные изотопы Na 22 , а в правый - Na 24 . Изотоп Na 22 распадается с излучением жестких γ-квантов. Распад Na 24 сопровождается мягким β-излучением. Регистрация γ - и β - излучений показала, что поток Na 22 больше потока Na 24 . Эти экспериментальные данные неопровержимо свидетельствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный перенос. Дальнейшие опыты показали, что истощение запасов АТФ в коже лягушки приводит к полной остановке однонаправленного потока ионов натрия.
3. Цель деятельности студентов на занятии:
Студент должен знать:
1. Роль мембраны в функционировании клетки.
2. Структуру, строение и модели мембран.
3. Функции мембраны.
4. Физические свойства мембран.
5. Уравнение Фика.
6. Уравнение Нернста-Планка.
7. Виды пассивного транспорта частиц через мембрану.
8. Активный транспорт частиц через мембрану.
Студент должен уметь:
1. Объяснять строение мембраны.
2. Объяснять искусственные модели мембран.
3. Объяснять механизм пассивного транспорта через мембрану.
4. Объяснить механизм активного транспорта через мембрану.
5. Решать ситуационные задачи.
1. Строение биологических мембран.
2. Жидко-мозаичная модель мембраны.
3. Искусственные модели мембран.
4. Основные функции клеточной мембраны.
5. Физические свойства мембран.
6. Перенос молекул (атомов) через мембрану. Уравнение Фика.
7. Перенос ионов через мембраны. Уравнение Нернста-Планка.
8. Разновидности пассивного переноса молекул и ионов через мембраны.
9. Активный транспорт. Опыт Уссинга.
10. Решение ситуационных задач.
5.Перечень вопросов для проверки исходного уровня знаний:
1. Что представляют собой биологические мембраны?
2. Что является основой мембраны?
3. Для чего используют физико-химические (искусственные) модели мембраны?
4. Опишите жидко-мозаичную модель мембраны.
5. Что такое латеральная диффузия? флин-флоп переход?
6. Какие основные функции выполняет мембрана и в чем они заключаются?
7. Запишите уравнения Фика и Нернста-Планка. Какие процессы они описывают?
8. Что называется подвижностью?
9. Что такое пассивный транспорт? Какие разновидности пассивного транспорта существуют?
10. Что такое активный транспорт? За счет чего он осуществляется?
11. Какое значение имеет активный транспорт веществ?
12. Объясните явления переноса вещества и заряда через мембрану.
13. Что будет, если клетку поместить в чистую воду?
6 . Перечень вопросов для проверки конечного уровня знаний:
1. Опишите модельные липидные мембраны. Где они используются?
2. Охарактеризуйте физические свойства мембран.
3. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
4. Примените уравнение Фика к биологической мембране.
5. Запишите и объясните уравнение Нернста-Планка.
6. Покажите, что уравнение Нернста-Планка сводится к уравнению Фика для диффузии незаряженных частиц.
7. Опишите виды пассивного транспорта.
8. Проницаемость клеточных мембран для молекул воды приблизительно в 10 раз выше, чем для ионов. Что произойдет, если в изотоническом водном растворе, в котором находятся эритроциты, увеличить концентрацию осмотически активного вещества (например, ионов Na+)?
9. Опишите опыт Уссинга.
7.Решите задачи:
1. Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду в результате латеральной диффузии? Коэффициент латеральной диффузии принять равным 10 -12 м 2 /с. Сравните с окружностью эритроцита диаметром 8 мкм.
2. Удельная электрическая емкость мембраны аксона, измеренная внутриклеточным микроэлектродом, оказалась равной 0,5 мкФ/см 2 . По формуле плоского конденсатора оцените толщину гидрофобного слоя мембраны с диэлектрической проницаемостью 2.
3. Толщину двойного слоя на границе мембрана - электролит характеризует дебаевский радиус δ . Определите δ для случая, когда в растворе электролита, окружающем мембрану, есть только ионы калия с концентрацией: 1) 10 -5 моль/л; 2) 10 -2 моль/л.
4. Найдите дебаевский радиус экранирования, создаваемого присутствующими в растворе ионами кальция с концентрацией 10 -5 моль/л и натрия с концентрацией 10 -4 моль/л. Как изменится δ, если в растворе будут только ионы кальция в концентрации 10 -4 моль/л?
5. Критический радиус липидной поры в мембране зависит от краевого натяжения поры, поверхностного натяжения мембраны и мембранного потенциала. Выведите формулу для критического радиуса поры. Рассчитайте критический радиус поры при отсутствии мембранного потенциала. Принять краевое натяжение поры 10 -11 Н, поверхностное натяжение липидного бислоя 0,3 мН / м.
6. Молярная концентрация кислорода в атмосфере с а = 9 моль/м. Кислород диффундирует с поверхности тела насекомых внутрь через трубки, называемые трахеями. Длина средней трахеи равна приблизительно h = 2 мм, а площадь ее поперечного сечения S = 2∙10 -9 м 2 . Считая, что концентрация кислорода внутри насекомого (с ) в два раза меньше, чем концентрация кислорода в атмосфере, вычислите поток диффузии через трахею. Коэффициент диффузии кислорода D = 10 -5 м 2 /с.
7. Двойной фосфолипидный слой уподобляет биологическую мембрану конденсатору. Вещество мембраны представляет собой диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε = 4. Разность потенциалов между поверхностями мембраны U = 0,2 В при толщине d = 10 нм. Рассчитайте электроемкость 1 мм 2 мембраны и напряженность электрического поля в ней.
8. Площадь поверхности клетки приблизительно равна S =5∙10 -10 м 2 . Удельная электроемкость мембраны (емкость единицы поверхности) составляет С уд = 10 -2 Ф/м 2 . При этом межклеточный потенциал равен U = 70 мВ. Определите: а) величину заряда на поверхности мембраны; б) количество одновалентных ионов, образующих этот заряд.
9. Фермент Na + - К + - АТФаза в плазматической мембране эритроцита совершил шесть циклов. Какое количество ионов натрия и калия при этом было активно транспортировано? Сколько энергии было при этом израсходовано, если гидролиз одного моля АТФ сопровождается освобождением 33,6 кДж? Эффективность процесса энергетического сопряжения считать 100 %.
8. Самостоятельная работа студентов:
По учебнику Антонова В.Ф.и др. (§ 15.4.) ознакомтесь с физическими методами определения толщины мембраны.
9. Хронокарта учебного занятия:
1. Организационный момент – 5 мин.
2. Разбор темы – 50 мин.
3. Решение ситуационных задач – 40 мин.
4. Текущий контроль знаний – 30 мин
5. Подведение итогов занятия – 10 мин.
10. Перечень учебной литературы к занятию:
1.Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика, М., «Дрофа», 2008, §§ 11.1, 11.2, 11.5, 11.6.
Кровь и эритроциты. Продолжаем публикацию материалов о крови.
Как выглядит эритроцит? При нормальных физиологических условиях в кровяном русле эритроциты имеют двояковогнутую форму с равномерными утолщениями по краям и с центральной более светлой частью – пэллором.
При светооптическом исследовании рутинно окрашенный кислыми красителями нормальный эритроцит имеет форму диска диаметром 6,9-7,7 и до 9,0 мкм. В зависимости от размеров эритроциты подразделяются на микро- и макроциты, но основная масса их представлена нормоцитами/дискоцитами.
Морфофункционалъные свойства эритроцита
Эритроцит – безъядерная двояковогнутая клетка средним объемом 90,0 мкм 3 и площадью 142 мкм 2 . Наибольшая толщина его 2,4 мкм, минимальная – 1 мкм.
В высушенном препарате средний размер эритроцита равен 7,55 мкм; 95% его сухого вещества приходится на железосодержащий белок гемоглобин и лишь 5 % – на долю других веществ (другие белки и липиды). Такие клетки представляют абсолютное большинство – свыше 85% – эритроцитов здорового человека.
Ядерные формы эритроцитарного ростка легко отличаются от большинства клеток лейкоцитарного ряда отсутствием в их цитоплазме гранул (ошибки возможны лишь при идентификации бластных клеток). Эритробласты отличаются более гранулированным и плотным ядерным хроматином.
На центральную впадину (пэллор) диска эритроцита приходится от 35 до 55 % его поверхности, и на поперечном срезе эритроцит имеет форму бублика, что с одной стороны, обеспечивает им сохранение гемоглобина и, с другой – позволяет эритроциту проходить даже через самые тонкие капилляры. Имеющиеся к настоящему времени модели строения эритроцита соответствуют представлению о специфических свойствах этой клетки, особенно его оболочки, обеспечивающей, при всей ее чувствительности к деформирующему давлению, противостояние сгибу и возрастанию суммарной поверхности.
Данные литературы свидетельствуют, что размеры и деформируемость мембраны эритроцитов являются их наиважнейшими характеристиками, с которыми связывают нормальное функционирование этих клеток, в том числе высокую миграционную возможность, участие в обменных процессах (в первую очередь – в обмене кислорода).
Изменение микроэластометрических свойств эритроцитов и «преображение» дискоцитов в другие морфологические формы могут вызывать различные агенты. Так, появление поверхностных выростов приводит к уменьшению эластичности мембраны, что, возможно, обусловлено противоположными силами, возникающими в самом процессе деформации эритроцита; деформация усиливается при уменьшении концентрации в клетках АТФ.
Если целостность мембраны клетки нарушается, то эритроцит утрачивает характерную для него форму и превращается в сферопласт, который, в свою очередь, гемолизируется. Структура мембраны эритроцита (дискоцита) одинакова на всем протяжении; и несмотря на то, что впадины и выпуклости могут возникать в ее различных участках, изменения внутри- или внеклеточного давления с разбросом ±15 % не вызывает сморщивания всей клетки, ибо она имеет значительный запас «антидеформабельности». Мембрана эритроцита обладает достаточной эластичностью, чтобы противостоять воздействию разнообразных факторов, возникающих во время циркуляции эритроцита по кровяному руслу.
В состав мембраны эритроцита входят: фосфолипиды (36,3%), сфингомиелины (29,6%), холестерин (22,2%) и гликолипиды (11,9%). Первые два элемента представляют собой амфифильные молекулы в водной среде, формирующие характерный липидный бислой, который к тому же пронизывается интегральными молекулами белков, связанных внутри эритроцита с его цитоскелетом.
Мембранные липиды пребывают в жидком состоянии, обладают незначительной вязкостью (всего в 10-100 раз превышающей вязкость воды). На внешней поверхности мембраны расположены липиды, сиаловая кислота, антигенные олигосахариды, адсорбированные белки; внутренняя поверхность мембраны представлена гликолитическими ферментами, натрием и кальцием, АТФазой, гликопротеинами и гемоглобином.
Двойной липидный слой мембраны выполняет три функции: функцию барьера для ионов и молекул, структурную основу для функционирования рецепторов и ферментов (белков, гликопротеинов, гликолипидов) и механическую. В осуществлении специализированной, дыхательной, функции – переносе кислорода или двуокиси углерода – основную роль играют белки мембраны, «встроенные» в липидный бислой. Зрелые эритроциты не способны к синтезу нуклеиновых кислот и гемоглобина; для них характерен низкий уровень обмена, что обеспечивает достаточно длительный период жизни этих клеток (120 сут).
По мере старения эритроцита площадь его поверхности уменьшается, в то время как содержание гемоглобина остается без изменения. Установлено, что в «зрелом» возрасте эритроциты длительно сохраняют постоянство химического состава, но по мере старения клеток содержание в них химических веществ постепенно понижается. Цитоскелет эритроцита образуется и контролируется мультигенными и ассоциированными с мембраной «семействами» белков, организующих специализированные мембранные домены, поддерживающие функцию и форму этой строго специализированной клетки.
Электрический потенциал эритроцита
Мембрана эритроцита содержит 50% протеина, до 45 % липидов и до 10 % углеводов. На поверхности интактных клеток «сетевое» распределение зарядов определяется гликопротеидом, содержащим сиаловую (нейтраминовую) кислоту, обусловливающую до 62 % поверхностного отрицательного заряда клетки.
Полагают, что каждый электрический заряд соответствует 1 молекуле этой кислоты. Потеря поверхностью эритроцита сиаловой кислоты приводит к понижению его электрофоретической подвижности (ЭФП) и подавлению транспорта катионов. Следовательно, на поверхности клеток существует «мозаика» зарядов, определяемая катионными и анионными группами, соотношение которых и определяет общий электрический заряд эритроцитов.
Для поддержания оптимального состояния гомеостаза форменные элементы крови должны обладать стабильным зарядом. Высокая стабильность ЭФП обеспечивается тонким механизмом ее регуляции – сбалансированности процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в мембранах эритроцитов и защитного действия антиоксидантной системы.
Эмпирически установлено, что на мембране эритроцитов располагаются рецепторы для антител, и наличие на поверхности даже небольшого их количества может нарушить нормальные физиологические функции в организме и изменить ЭФП эритроцитов. Это может влиять на уровень содержания гемоглобина в последних, поскольку содержание гемоглобина и ЭФП строго скоординировано.
Необходимо также учитывать, что при экстремальных воздействиях на организм негативных факторов продукты перикисного окисления липидов влияют на электрокинетические свойства эритроцитов. В свою очередь, это отражается на скорости протекания перикисных процессов в их мембранах.
Благодаря электростатическому отталкиванию («распору» по Чижевскому) одноименно заряженных клеток эритроцитов последние беспрепятственно движутся по кровеносным сосудам, выполняя свою кислородно-транспортную функцию. Поэтому нарушение стабильности заряда можно считать интегральным показателем патологических сдвигов в организме.
